Как мы напечатали антенну

Подписаться на 3Dtoday
IlyaVyazigin
Идет загрузка
Загрузка
12.01.19
4227
35
Применение
30
Разработка технологии и изготовление опытных образцов широкополосной логарифмической антенны СВЧ диапазона с использованием аддитивных технологий (3D печать)
fe5dc872664368a23f85a45455d6934e.jpg
С начала очень коротко о том, кто мы есть и что нас побудило заняться темой этой публикации.
Мы - это небольшой инженерный коллектив, который имеет приличный опыт разработки систем пассивной радиолокации, а также ищет и находит себе направления для применения и развития своих навыков. В общем стараемся не стоять на месте, а придумывать и делать.

Дальше про антенну. Однажды в процессе импровизированного мозгового штурма пришла идея реализовать при помощи 3D печати широкополосную антенну. Цель одна - получить технологию, благодаря которой получится изготавливать антенны с очень близкими радиотехническими характеристиками. При традиционных методах изготовления разброс характеристик антенн довольно значительный от образца к образцу, а это имеет важное значение, особенно в системах амплитудной пеленгации.

Дальше пойдет формализованный текст из отчета, который мы подготовили по результатам проделанной работы.

Общие положения
Существующие технологии изготовления не обеспечивают требуемой идентичности радиотехнических параметров антенн. Особенно актуально требование идентичности радиотехнических параметров антенн в системах радиолокации. Решение задачи идентичности возможно путем изготовления антенн с минимальными технологическими допусками. Лучше всего для этой цели подходят современные аддитивные технологии (3D печать). Для этого потребовалось подобрать технологию производства антенны с использованием аддитивной технологии, разработать 3D модель, получить расчётные характеристики антенны по параметрам модели, изготовить опытную партию антенн, провести радиотехнические измерения.

Существующие открытые достижения в области исследования и изготовления антенн методом 3 D печати
Есть блог с обзором 3D печатных антенн (блог был доступен до 2017 года, на данный момент страница не существует): https://www.diy-india.com/make/3d-printed-antenna.html
Далее информация из этого блога.

1. Optomec Aerosol Jet Antenna 3D printing
Печатные антенны с использованием технологии Aerosol Jet process. Компания Optomec http://www.optomec.com/company/optomec-overview/
Печатают на пластике с использованием проводящих аэрозолей, содержащих ионы серебра. Коммерческая компания. Печатает на пластике (например на напечатанном крыле для беспилотника) антенны, датчики, и т.п. Массово печатает антенны для абонентских устройств (GPS, LTE и т.д.). Использует принтеры Aerosol Jet собственного производства. Очень дорогие промышленные аппараты. Недостаток – плоские антенны.

2. Печать антенн на кривых поверхностях.
Лаборатория материалов в Иллинойсе. Статья коротко:
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201003734/abstract
Полный текст:
http://www.readcube.com/articles/10.1002%2Fadma.201003734?r3_referer=wol&tracking_action=preview_click&show_checkout=1&purchase_referrer=onlinelibrary.wiley.com&purchase_site_license=LICENSE_DENIED_NO_CUSTOMER

Они при помощи проводящих аэрозолей напечатали антенну на стеклянном корпусе.

Технология печати проводящими аэрозолями. В статье приводится анализ характеристик получившихся антенн. Дальнейших публикаций этих авторов нет.

3. Дания. Технический университет Дании. Исследовательская группа в области антенн, компонентов и схем СВЧ диапазона. Ссылка на контакты: http://www.ems.elektro.dtu.dk/about_us/contact_us
В статье от 31 января 2015 сообщают о прототипе двухзаходной периодической спиральной антенны, которую напечатали в пластике, а затем покрыли проводящей краской. Результат на фото. Характеристики не приводятся.
618162d1ad7e18561856f360b1e3b662.jpg
Это наиболее приближенный к требуемому форм-фактору результат. Главный вопрос – нет единой конструкции, изготавливаемой в едином техпроцессе. Есть сомнения в идентичности результирующих характеристик антенн, изготавливаемых отдельно диэлектрического основания и проводящей спирали.

4. Отечественная публикация. Журнал «Вектор высоких технологий» №6 (11) 2014 статья «Аэрозольная печать на трехмерные основания». Описывается технология, есть примеры готовых изделий микроэлектроники, без подробностей по используемому оборудованию.
1926f9ec1318ba27bac95eb5e1ba825c.png
Объект моделирования, который взят за основу для антенны
В качестве объекта для моделирования и изготовления опытного образца взята малогабаритная СВЧ антенна, описание конструкции которой и радиотехнические характеристики опубликованы в виде доклада “Малогабаритная спиральная антенна диапазона УВЧ” в материалах всероссийской конференции «Электроника и микроэлектроника СВЧ», Санкт-Петербург, 3-6 июня 2013 года. Автор доклада Н.В. Коробейников. Конструкция антенны представляет собой диэлектрическую полусферу с усеченной верхней частью, на которой находится печатная плата с арифметической двухзаходной спиралью. На поверхности полусферы размещена двухзаходная арифметическая спираль, которая гальванически соединена с одной стороны с ветвями плоской двухзаходной спирали, а с другой стороны с металлическим основанием антенны. Питание антенны выполнено с помощью щелевого симметрирующего трансформатора. Он представляет собой металлический коаксиальный кабель с вырезом в верхней части.
Вся конструкция находится на металлическом основании. Выход антенны – СР-50-727. Размеры будут уточняться по результатам проверки параметров антенны, ориентировочно диаметр и высота составили 50 мм. Эта конструкция очень хорошо подходит для задачи отработки технологии 3D печати в первую очередь благодаря своим размерам. Кроме того, наличие в конструкции антенны элементов плоской антенны и переход на полусферу позволяют сразу отработать сложные и неоднозначные технологические моменты связанные с переходом проводящего слоя с плоскости на полусферу. Кроме того в описании антенны приведены радиотехнические характеристики, на которые можно опираться при проектировании 3D модели антенны с тем, чтобы она соответствовала реальным образцам.


3D модель нашей антенны

Размеры элементов антенны рассчитывались в приложении HFSS. Далее по полученным размерам была построена трехмерная модель в приложении KOMPAS.
a80b8946dd204d2483c4173702c594df.png
Технология изготовления
На данный момент проработаны различные варианты изготовления антенны. Наиболее результативным представляется способ, при котором корпус антенны изготавливается методом трехмерной печати пластиком, а потом на полученный корпус наносятся спирали из проводящего материала аэрозольным методом. Согласующий трансформатор и разъем монтируются в предусмотренные полости в корпусе антенны.
Для проверки сочетания разных технологий изготовления основания, и совместимости полученных образцов с технологией аэрозольной печати было решено делать основания двумя разными технологиями.

Первая технология селективное лазерное спекание (Selective laser sintering - SLS). В этой технологии изделие формируется из плавкого порошкового материала (пластика) путем его плавления под действием лазерного излучения. Для изготовления основания антенны применялось послойное выборочное (селективное) спекание полиамидного порошка на установке EOS P396. Материал полиамид PA2200. Торговая марка, зарегистрированная компанией EOS GmbH (Electro Optical Systems, Германия). Материал на основе полиамида 12 (PA12) в виде порошка белого цвета.

Вторая технология стереолитография (SLA). В технологии SLA изделие формируется из жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения. Отличительной особенностью SLA является высокая точность исполнения образцов. Для изготовления основания антенны применялось послойное нанесение и отверждение фотополимерной смолы YVO₄-лазером с длинной волны 354.7 нм на установке RSPro 600 (UnionTech). Использовалась фотополимерная смола UTR 9000. Материал производства компании UnionTech (Shanghai Union Technology Ltd., Китай). Жидкая фотополимерная смола цвета слоновой кости.

Нанесение проводящего слоя с использованием технологии аэрозольного напыления. Проводящий слой наносился на установке аэрозольной печати AJP-15XE компании Neotech AMT (Германия).
86d1fc72bfa86df59518634a3a0b52a3.png
Установка позволяет работать как с трехмерными, так и с плоскими основаниями. Максимальная скорость перемещения сопла- 2000 мм/мин, размер рабочей области – 650х450х250 мм (X Y Z). Работать можно с различными материалами, требования к чернилам по вязкости от 1 до 1000 сП (сантипуаз), размер частиц в чернилах – 0,5 мкм. В пневматическом атомайзере из чернил образуется аэрозоль.
955cd1b4ed235b094f35eea2d596a3a5.png
Происходит это следующим образом: в цилиндре внутри резервуара поток газа выходя из отверстия разбивает чернила на микрокапли, образуя таким образом аэрозоль. Капли слишком большого размера оседают на стенках банки и попадают обратно в общую массу чернил. Поток газа на выходе из резервуара атомайзера слишком высокий, чтобы пропускать его через сопло. Просто откачивать газ было бы неэффективно, т.к. при этом расходуется слишком много атомизированного материала. Вместо этого используется импактор, который концентрирует аэрозоль, убирая лишний атомизирующий газ из системы. Выходное отверстие импактора направленно в печатающую головку. В печатающей головке поток аэрозоля окружается газом, который ускоряет и фокусирует поток.
Производственный процесс Aerosol Jet. CAD модель конвертируется в DWG файл для работы с ЧПУ (CNC). Жидкий материал (наночастицы полимерного проводящего материала, диэлектрика, проводящего эпоксидного материала в жидкости) помещается в ультразвуковой или пневматический атомайзер, который создает плотный поток частиц размерами 1-5 мкм. Сфокусированный поток с помощью защитного газа доставляется в головку и с большой скоростью распыляется на подложку, создавая элементы размером до 10 мкм. Защитный газ также предохраняет сопло от налипания материала. По завершении печати происходит пост-обработка - сушка, отверждение, спекание.
Физика процесса. Проводящие материалы - Ag, Al, Au, Cu, Pt, Pd. Чем меньше размер наночастиц, тем ниже температура плавления, при этом атомы на поверхности частиц находятся в состоянии с высокой энергией, что позволяет им соединяться с другими частицами (диффузия в твердом состоянии) при более низких температурах. Например, для Ag: c 1000 C (в обычном состоянии) до 150 С (температура спекания) для наночастиц.
52b44db5a737c2662c2c365c0ab4276e.png
Для апробации сочетания технологий было изготовлена два образца основания по одному образцу SLA и SLS.
82477f599096c8d831d6d66ab1ee96eb.png
Далее на каждый из них наносился слой металлизации. Уже на этом этапе стало понятно, что основание изготовленное по технологии SLS гораздо хуже сочетается с технологией нанесения металлизации из-за шероховатости поверхности. В результате проводящие чернила сильнее растекались по поверхности, и это повлияло на электрические характеристики и качество образца.
d7ecf97d36dbfbba63b0a16dad8051d3.png
По этой причине в дальнейшей разработке использовался образец с основанием, изготовленным по технологии SLA.
c074db8c02ad2bbb24167abe28e8972a.png
Монтаж антенны
c1db659bd1994e181a41d957202f6f55.PNG
В результате мы собрали один образец и даже попробовали измерить параметры. К сожалению на первом образце получить приемлемые радиотехнические характеристики не удалось. Это значит что нужно проводить исследование электрических характеристик полученных материалов и уже на основании этих данных моделировать геометрические размеры антенны в специально предназначенных для этого программных продуктах. Ну и конечно специфика разработки изделий для высоких диапазонов частот такова, что после самого точного моделирования и изготовления требуется "доработка напильником". Т.е. в нашем случае это значит что 3D модель должна пройти несколько итераций уточнения геометрических параметров для получения требуемых радиотехнических характеристик. Конечно было бы очень интересно всем этим заняться, однако доступных нам финансовых возможностей хватило только на представленный результат.

Исходя из полученного в работе над антенной опыта мы видим следующие перспективы использования и развития данной технологии:
1. Основное направление - это изготовление самых различных элементов электронных схем включая антенны, датчики, приводы исполнительных механизмов на пластиковых основаниях сложной формы. При этом технология совместима с промышленными методами монтажа элементов.
2. Решение специфических проблем типа «умная обшивка» (нанесение антенн, датчиков и т.п. на поверхности объектов, например беспилотников) или задача согласования системы антенна-обтекатель (когда антенну можно будет "печатать" непосредственно на внутренней поверхности обтекателя.
3. Исследовательские задачи связанные с изготовлением малогабаритных антенн или даже антенных решеток с заданной диаграммой направленности за счет сложной формы элементов антенн или использования в основаниях антенн диэлектриков с заданной неоднородной диэлектрической проницаемостью.
Подписаться на 3Dtoday
30
Комментарии к статье

Комментарии

12.01.19 в 20:31
0
Люто.
А Где фракталы?
Без них стартап невзетит.
12.01.19 в 20:37
2
Господа у меня не так давно в Родезии умер кронприц.
12.01.19 в 20:54
0
Понятно.

Дожили.

Начали творить не читая бульварных романы - и сразу воплощать свою теорию - в жизнь, начиная с нано-масштабов.

Расстрою ТС, его коллектив, и всех прочитавших этот пост: всё это уже было, и плохо закончилось.

Рекомендую разработчикам - остановиться, и перечитать вот этот роман:

24bc4fbe1a4edcff6441fdb45c3a4d7d.jpg






Если не в курсе, то был снят и отдельный фильм, вошедший в часть сериала:

https://my.mail.ru/mail/aurelia28/video/2340/2345.html

https://yandex.ru/video/search?filmId=5100653362713033509&text=%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%BD%20%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%8C%20%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%20%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%B8

https://yandex.ru/video/search?filmId=14860942796436552851&text=%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%BD%20%D0%BA%D0%B0%D0%BC%D0%B5%D0%BD%D1%81%D0%BA%D0%B0%D1%8F%20%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%82%D1%8C%20%D1%80%D0%B0%D0%B4%D0%B8%20%D1%81%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%82%D0%B8

...
12.01.19 в 20:55
0
Нубский вопрос - почему не печатать токопроводящим пластиком в теле обычного?
12.01.19 в 21:51
0
Потому что проводимость у него никакущая.
13.01.19 в 00:10
0
Само собой думал об этом. Но металлосодержащая краска тоже не серебро.
Вопрос адресовался т.с.
13.01.19 в 00:26
0
Комменты публичные, отвечай кто хочешь.
Можно порассуждать про количества металла в пластике и напылении, но я не буду.
12.01.19 в 21:08
0
Напыленные частицы спекались после нанесения на отверждённый фотополимер? А какая температура спекания? Или это такой фотополимер устойчивый к высоким температурам??
..Увидел... Частицы спекаются при 150 градусах... Интересно..
12.01.19 в 21:11
0
Ничего не понял, но интересно.
12.01.19 в 22:21
0
А почему основа печаталась, а не изготавливалась традиционными методами?
Качество поверхности лучше (а это для вас важно!), стоимость дешевле. Единственную причину вижу: деталь сильно сложной геометрии, но по ней этого не скажешь. Можно и из метала сделать, потом изолирующее покрытие, а потом напылять антенну. Если уж так повторяемость важна.
12.01.19 в 23:52
0
А чего с характеристиками не так? Потери большие или частота ушла? Интересно, тангенс угла диэлектрических потерь у SLA какой? И какой разброс диэлектрической проницаемости?
12.01.19 в 23:57
2
Такое лучше на Хабре постить.
13.01.19 в 01:10
1
Как мне видится:
"мы придумали Ноу-Хау" - на деле не читая книжек повторили чужие опыты, и особенно ошибки
"не сравнили разные методы изготовления, классические и новый. тестовых образцов АЖ 1 штука" - какая тут может быть проверка повторяемости?!?!

по Итогу:

"Ни*рена не вышло, антенна не рабочая, параметры не известны, повторяемость непонятна. Что делать дальше непонятно, Но направление считаем перспективным"

"1. Основное направление - это изготовление ... элементов .. на пластиковых основаниях сложной формы. При этом технология совместима с промышленными методами монтажа элементов." - я сен пень технология совместима. Называется изготовление: По матрице, По шаблону, ПО мастер модели, ПО электронной мастер модели. Этим технологиям как и станкам ЧПУ уже 40-50 лет.

"2. Решение специфических проблем типа «умная обшивка» (нанесение антенн, датчиков и т.п. на поверхности объектов, например беспилотников) или задача согласования системы антенна-обтекатель (когда антенну можно будет "печатать" непосредственно на внутренней поверхности обтекателя." - очередное ПЕРЕ-изобретения велосипеда, а нанесение антенн на сложную поверхность на плёночном основании когда отменили. Те микропринтеры которыми вы наносили слои метализации есть и в Большом исполнении и успешно делают то о чем вы только загадываете - печатают антенны на готовое изделие "сложной" формы.
Недостатки - тонкопленочность таких антенн, при вибрациях и работе обшивки на растяжение-сжатие - тонкие дорожки вздуваются и рвутся, а стеклопластиковые обшивки живут и здравствуют.

3. Исследовательские задачи связанные с изготовлением малогабаритных антенн или даже антенных решеток с заданной диаграммой направленности за счет сложной формы элементов антенн или использования в основаниях антенн диэлектриков с заданной неоднородной диэлектрической проницаемостью." - БЫЛО... Для этого ранее просто изготавливали эти самые основания не 3Д печатью а механической обработкой материалов, плюс иногда склейкой их в "бутерброды", иногда разной толщины, для получения Неоднородности.

Может ли это упростить 3Д печать - Да если один принтер, с одной установки, сможет печатать разными материалами основание. От пластиков и керамики до металлсодержащих материалов. Хорошо чтоб он ещё мог сам обработать посадочные и крепёжные отверстия фрезой, после печати.
Есть ли такие принтеры - Да
Их можно даже купить для собственно мастерской. Где совмещены 5 экструдеров с инженерными пластиками (до 450 гр), 1 фрезерной головкой и посадочным местом для 3д сканирующего элемента.
Цены встречал от 1500 уе в зависимости от комплектации.

Так что чем занимались эти "ребята", зачем и каких положительных результатов добились - Категорически не понятно.
Матчасть не проработана.
Методы изготовления - не сравнили
повторяемость разными методами - не сравнили

Время потратили, бабло просадили - зато с умным видом попробовали крутые игрушки.

ИМХО


А не глядя на полезность и результативность - почитать было интересно, фоточки красивые, описание закдач и результатов - офигенно по госту, чётко и ясно. Вот это понравилось, "а то что вы руками сделали... плохо"
13.01.19 в 10:54
0
Их можно даже купить для собственно мастерской. Где совмещены 5 экструдеров с инженерными пластиками (до 450 гр), 1 фрезерной головкой и посадочным местом для 3д сканирующего элемента.
Цены встречал от 1500 уе в зависимости от комплектации.
Можно ссылку попросить на такие принтеры
16.01.19 в 08:34
0
13.01.19 в 20:32
0
Поддерживаю Andrey.cz про ссылку на принтер.
16.01.19 в 08:33
0
рабочие прототипы встречал от 1500.
Но после вот этого красавца
https://www.youtube.com/watch?v=IZ82_L6UmzQ
Все остальные ФДМ принтеры и их "улучшения" для меня умерли или отстали на 10 лет, не знаю что хуже.
Если брать для серьёзных задач, под инженерные материалы, и сложные задачи с несколькими материалами - то только его.
40 минут искал по закладкам.
единственное что мне не очень по душе количество софтовых прослоек между 3д моделью и непосредственной печатью.
А в остальном это мой эталон
16.01.19 в 09:31
0
I would have to agree. Even the one that is dedicated to 3d printing is under $5k. For the beta units under $4k. That's pretty good.
???? и где 1500 долларов?
5 000, и пока прототипы для тестирования...
Все остальные ФДМ принтеры и их "улучшения" для меня умерли или отстали на 10 лет, не знаю что хуже.
Вопрос спорный... все зависит от назначения....
13.01.19 в 03:29
1
Отливка по распечатанной модели решит ваши проблемы. и напылять ничего нигде не надо. спекать тоже.
13.01.19 в 19:41
0
Извините, но мне кажется, что этот эксперимент делали тогда, когда специалист в области антенн был в отпуске. Обычно, для СВЧ в качестве основы используется керамика. Для некоторых частот, достаточно характеристик гетинакса. Неужели, за последние 20-30 лет произошел прорыв в теории СВЧ и пластик стал на столько хорош, как керамика?
Очень запомнился вопрос профессора, к одному из студентов на защите. Он звучал примерно так
- Вы действительно думаете, что перенос узлов крепления антенны, предложенный вами, эффективнее исходного изделия?

Это значит что нужно проводить исследование электрических характеристик полученных материалов и уже на основании этих данных моделировать геометрические размеры антенны в специально предназначенных для этого программных продуктах.
Думаю, что красота описания технологического процесса, тут на первом месте, а расчет характеристик изделия проводился не достаточно хорошо.
13.01.19 в 20:28
0
Действительно, антенного специалиста нам не хватило и соответственно расчет характеристик не годный. Подмечено верно.
13.01.19 в 19:52
1
печатать каналы в теле прибора и заливать их жидким металлом.
13.01.19 в 22:22
0
Интересно, какой металл для этого подойдёт? Чтобы был безопасным, экономически выгодным и не расплавил заготовку.
13.01.19 в 22:33
0
Экспериментировать никто не запрещает.
14.01.19 в 12:11
1
не надо заливать - графитовая паста + осаждать метал гальваникой!
14.01.19 в 02:53
0
А кто за это все заплатил? Там ещё есть? Хотя вряд и, раз сюда пишете, значит кончилось((( но ели ещё найдёте - держите в курсе.
14.01.19 в 12:20
0
Читаю и не понимаю - а из фольги нарезать? окей, закрасить и вытравить лишнее химически? а потом или до (но это наверное сложнее) намотать результат на основу.

Гальваника и травление - отличный способ получения токопроводящих поверхностей почти любой конфигурации.

Окей, мы слишком сложные, где то тут была глазовыколупывательница автоматическая... вот этот мегадевайс:


Нагнуть несколько частей, вставить в форму и спаять (может и автоматически), сварка/пайка ведь не испортит заметно характеристики?
15.01.19 в 07:07
0
ВЧ - это несколько другое, чем НЧ.
18.01.19 в 00:20
0
?
ВЧ это 10-ти метровые волны
даже ультравысокие волны - это сантиметр.

как это относится к моему предложению и вопросу про пайку?
18.01.19 в 06:30
0
Фольга не пойдет
15.01.19 в 20:21
0
Я благодарю всех кто потратил свое время и оставил комментарий. Ну и добавлю что все таки самая на мой взгляд оригинальная идея по заданной теме была озвучена мне еще на этапе проработки вопроса. Один товарищ из интернета предложил мне напечатать металлизацию прутком оловянного припоя на FDM принтере. Он ушел думать как подружить сопло экструдера с этим прутком и так и не вернулся))). Деньги действительно кончились, а хороших идей как в известном анекдоте у нас еще много.
18.01.19 в 10:06
0
Легко подружить - сопло для абразивных материалов и скорость печати 5-10
16.01.19 в 03:16
0
Так я не понял... МАМАНЮ то хоть кто нибудь заюзал? )))))
23.01.19 в 13:05
0
Антенны печатал, но приметивнее. Рисуется рамка под нужную антенну, печатается FDM, берется медный провод и сгибается по рамке, готово. Делал так антенны харченко, хочу попробовать с клеверами.

Для написания комментариев, пожалуйста, авторизуйтесь.

Читайте в блогах

Уроки по T-FLEX CAD 16 - Создание 3D модели фланца для шарового крана

Мой дом. Моя крепость.

Хочешь зарабатывать на 3D-печати? Тогда загляни сюда!

Акция на Anycubic Photon S со склада в России

3D Печать №22. Метод научного тыка или сферический PETG в кубе.

Возможность использования WiFi на Lerdge-X (K) через виртуальный COM порт