Semplice basso

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7963 (2022) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

La produzione additiva di strutture volumetriche complesse ha aperto nuove frontiere in molti campi tecnologici, trasformando progetti precedentemente impensabili in una realtà pratica. I componenti elettromagnetici, comprese le antenne e gli elementi di guida d'onda, possono trarre vantaggio dall'esplorazione della terza dimensione. Sebbene le stampanti per polimeri di modellazione a deposizione fusa (FDM) diventino ampiamente accessibili, producono strutture con permettività elettromagnetica moderatamente bassa, rispetto ai metalli. Tuttavia, le stampanti 3D in metallo, essendo in grado di produrre costruzioni volumetriche complesse, rimangono apparecchiature estremamente costose e difficili da mantenere, adatte per applicazioni di mercato di fascia alta. Qui sviluppiamo una nuova tecnica di stampa su metallo, basata su un dispositivo FDM semplice e a basso costo e successiva deposizione elettrochimica. Per testare il nuovo metodo, abbiamo fabbricato diversi dispositivi di antenna e confrontato le loro prestazioni con le controparti standard stampate su scheda incisa FeCl3, dimostrando chiari vantaggi della nuova tecnica. La nostra nuova stampa su metallo può essere applicata per produrre dispositivi elettromagnetici e strutture metalliche per altre applicazioni.

La produzione additiva consente di esplorare strutture volumetriche complesse attraverso una varietà di discipline fondamentali e applicate1. La gamma di nuove funzionalità consente di riconsiderare gli approcci convenzionali in meccanica2,3,4, gestione termica5, medicina6, robotica7, elettronica8,9 e molte altre aree applicate, ad esempio10,11 dove nuove architetture e piattaforme materiali possono garantire capacità mai previste.

Anche i componenti hardware, che supportano i collegamenti di comunicazione wireless, possono trarre vantaggio dall’esplorazione delle geometrie volumetriche. Tradizionalmente, le architetture planari dei componenti a radiofrequenza (RF), comprese le guide d'onda e le antenne, sono integrate nei circuiti elettronici stampati. Questo approccio è favorevole grazie alla consolidata fabbricazione litografica strato per strato. La stampa 3D funzionale, tuttavia, consente di esplorare progetti concettualmente diversi con prestazioni elettromagnetiche potenzialmente migliori. Mentre il principio di equivalenza della superficie suggerisce la possibilità di sostituire una realizzazione volumetrica con una superficie di impedenza, racchiudendo il volume della struttura iniziale12, gli aspetti pratici giocano un ruolo13, sottolineando i reali vantaggi delle progettazioni volumetriche. Recentemente sono state sviluppate diverse tecniche di produzione additiva per creare dispositivi RF di alta qualità14. La fresatura CNC15,16, la strutturazione diretta al laser17,18,19, la stampa conforme di inchiostri metallici20,21, l'incorporamento di reti metalliche a ultrasuoni22 e la deposizione di metallo attraverso una maschera su superfici curve23,24 sono solo alcuni dei metodi sviluppati. Nonostante le prestazioni comprovate delle tecniche sopra menzionate, queste sono progettate per un compito specifico e tuttavia possono essere considerate la soluzione definitiva sul campo. D’altra parte, le stampanti FDM (Fused Deposition Modeling) diventano disponibili e hanno un costo estremamente basso, rendendole la prima scelta nei casi in cui è necessaria la prototipazione rapida di strutture volumetriche. Le stampanti FDM sono compatibili con una varietà di materiali polimerici, tra cui acido polilattico (PLA), acrilonitrile butadiene stirene (ABS), polietilene tereftalato glicole (PETG), diverse leghe, miscele di polimeri e nanostrutture e molti altri. Tali plastiche erano già integrate nei dispositivi di antenna (ad esempio25,26). Inoltre, diversi materiali polimerici possono essere stampati in parallelo durante la produzione in un'unica sessione27,28. Tuttavia, le materie plastiche sono dielettrici con un contrasto elettromagnetico relativamente basso. Tipicamente, la permettività varia tra 2,5 e 3,5 nella banda 1–10 GHz con la tangente di perdita di 10−3–10−1 per PLA28. Questi numeri, tuttavia, dipendono dai parametri di fabbricazione, principalmente dal fattore di riempimento del polimero in un volume unitario. Le perdite elettromagnetiche diventano drammaticamente elevate se materiali conduttivi, ad esempio scaglie di grafene, vengono mescolati all'interno dei filamenti polimerici. In questo caso, la tangente di perdita può avvicinarsi all’unità, rendendo tali materiali quasi irrilevanti per l’uso nei dispositivi di comunicazione wireless. Una soluzione definitiva per la produzione di dispositivi RF volumetrici è la stampa del metallo, ad esempio eseguita con una sinterizzazione laser diretta del metallo29. Tuttavia, le stampanti per metalli, nonostante forniscano strutture metalliche autonome di contrasto RF di alta qualità, rimangono estremamente costose, motivando lo sviluppo di altri approcci.