Leichtere Antennen dank 3D-Druck: Eine Methode der Zukunft?
Da unsere Kommunikationswege drahtlos geworden sind, das Internet explodiert ist und es immer mehr Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt gibt, ist der Bedarf an effizienten und leichten Antennen dringend geworden. 5G und 6G haben dies noch beschleunigt, und die Branche muss Lösungen finden, um schneller, besser und kostengünstiger zu produzieren. Angesichts solcher Herausforderungen könnte die additive Fertigung angesichts ihrer Flexibilität und der Geometrien, die sie herstellen kann, eine Antwort liefern. Dies hat ein Forscherteam unter der Leitung von Xiaoyu (Rayne) Zheng, außerordentlicher Professor an der Abteilung für Materialwissenschaft und -technik der Universität Berkeley, untersucht. Sie entwickelten eine Plattform für die additive Fertigung, mit der komplexe Antennen möglichst schnell entworfen werden könnten.
Eine kürzlich von Mordor Intelligence veröffentlichte Studie zeigt, dass der Markt für Antennen bis 2029 auf 34,24 Milliarden US-Dollar anwachsen wird, was einem jährlichen Wachstum von 7,8 % für den analysierten Zeitraum (2024-2029) entspricht. Antennen werden immer häufiger eingesetzt, da sie für die Kommunikation notwendig sind. Tatsächlich sind sie Komponenten, die in allen Funkgeräten vorkommen, die in der Lage sind, Energie in Form von elektromagnetischen Wellen zu senden und zu empfangen. Wir sprechen hier vom Internet der Dinge, von 5 und 6G, von einigen Satellitenkommunikationssystemen etc. Diese Komponenten müssen so klein und leicht wie möglich sein, gleichzeitig aber auch leistungsfähig und schnell. Meistens werden sie durch maschinelle Bearbeitung hergestellt, aber die 3D-Technologien werden immer interessanter, insbesondere dank der Integration von Gitterstrukturen, die das Endgewicht der Antenne erheblich reduzieren können.
Phasengradienten-Sendegitter mit drei Schichten aus interpenetrierenden S-Ringen und dielektrischen Materialien. (Bild: X. Zheng)
Antennen und 3D-Druck
Der Einsatz additiver Fertigungsverfahren bei der Herstellung von Antennen hat gewisse Grenzen. Die Verfahren, die derzeit auf dem Markt sind, erlauben es nicht, bestimmte Materialien zu mischen – typischerweise muss man sich zwischen einer vollständig dielektrischen oder einer vollständig metallischen Antenne entscheiden. Folglich können bestimmte Anwendungen nicht realisiert werden. Und wenn es doch möglich ist, sie zu mischen, dann sind sehr aufwändige Nachbearbeitungsschritte oder Werkzeug- und Substratwege erforderlich, die die volle Nutzung der additiven Fertigung erschweren. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die derzeitigen Lösungen nicht ausreichen.
Angesichts dieser Tatsache haben Zheng und sein Team also eine neue 3D-Druckplattform entwickelt. Er erklärt: „Wir stellen den programmierten 3D-Multi-Material-Druck als vielseitige und universelle Plattform für die schnelle Herstellung von fast allen Arten von 3D-Antennensystemen vor.“ Was haben sie konkret gemacht? Unter dem Namen „Charge programmed deposition“(CPD) handelt es sich um ein Verfahren, bei dem die Polarität der Ladung durch den Multimaterialdruck von Photomonomeren gesteuert wird. Das Team nutzt die Stereolithografie, um Fotopolymere an verschiedenen Stellen aufzubringen und so eine Art 3D-Mosaik zu schaffen. Diese Photopolymere werden in einem zweiten Schritt Metallionen anziehen, die durch Metallplattierung auf der 3D-Struktur abgeschieden werden. Dies bietet die Möglichkeit, das Design der endgültigen Antenne zu kontrollieren.
Das Team fügt hinzu: „CPD ermöglicht im Wesentlichen jede komplexe 3D-Struktur, einschließlich komplexer Netzwerke, und hat die Abscheidung von Kupfer mit nahezu unveränderter Leitfähigkeit sowie von magnetischen Materialien, Halbleitern, Nanomaterialien und Kombinationen davon demonstriert.“ Sie befasst sich mit der Entwicklung komplexer Antennen, möchte aber noch weiter gehen, wobei das Ziel darin besteht, den Herstellungsprozess schneller und einfacher zu gestalten. Weitere Informationen finden Sie in der HIER veröffentlichten Studie.
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