baixo simples

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7963 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A fabricação aditiva de estruturas volumétricas complexas abriu novas fronteiras em muitos campos tecnológicos, transformando projetos antes inconcebíveis em uma realidade prática. Componentes eletromagnéticos, incluindo elementos de antena e guia de onda, podem se beneficiar da exploração da terceira dimensão. Embora as impressoras de polímeros de modelagem por deposição fundida (FDM) se tornem amplamente acessíveis, elas fabricam estruturas com permissividades eletromagnéticas moderadamente baixas, em comparação com os metais. No entanto, as impressoras 3D de metal, sendo capazes de produzir construções volumétricas complexas, continuam sendo aparelhos extremamente caros e de difícil manutenção, adequados para aplicações de mercado de ponta. Aqui desenvolvemos uma nova técnica de impressão de metal, baseada em um dispositivo FDM simples e de baixo custo e posterior deposição eletroquímica. Para testar o novo método, fabricamos vários dispositivos de antena e comparamos seus desempenhos com contrapartes impressas padrão baseadas em placas gravadas com FeCl3, demonstrando claras vantagens da nova técnica. Nossa nova impressão de metal pode ser aplicada para fabricar dispositivos eletromagnéticos, bem como estruturas metálicas para outras aplicações.

A manufatura aditiva permite explorar estruturas volumétricas complexas em várias disciplinas fundamentais e aplicadas1. A gama de novas capacidades permite reconsiderar as abordagens convencionais em mecânica2,3,4, gerenciamento térmico5, medicina6, robótica7, eletrônica8,9 e muitas outras áreas aplicadas, por exemplo10,11 onde novas arquiteturas e plataformas de materiais podem conceder capacidades jamais previstas.

Os componentes de hardware, que suportam links de comunicação sem fio, também podem se beneficiar da exploração de geometrias volumétricas. Tradicionalmente, arquiteturas planares de componentes de radiofrequência (RF), incluindo guias de onda e antenas, são integradas em circuitos eletrônicos impressos. Esta abordagem é favorável devido à fabricação litográfica camada por camada bem estabelecida. A impressão 3D funcional, no entanto, permite explorar projetos conceitualmente diferentes com desempenhos eletromagnéticos potencialmente melhores. Enquanto o princípio de equivalência de superfície sugere a capacidade de substituir uma realização volumétrica por uma superfície de impedância, encerrando o volume da estrutura inicial12, aspectos práticos desempenham um papel13, destacando vantagens reais de projetos volumétricos. Várias técnicas de manufatura aditiva foram desenvolvidas recentemente para criar dispositivos de RF de alta qualidade14. Fresagem CNC15,16, estruturação direta a laser17,18,19, impressão conformada de tintas metálicas20,21, incorporação de malha de arame ultrassônica22 e deposição de metal através de uma máscara em superfícies curvas23,24 estão entre uma série de métodos desenvolvidos. Apesar do desempenho comprovado das técnicas mencionadas anteriormente, elas são projetadas para uma tarefa específica e ainda podem ser consideradas como uma solução definitiva no campo. Por outro lado, as impressoras de modelagem por deposição fundida (FDM) tornam-se disponíveis e são de custo extremamente baixo, tornando-as a primeira escolha nos casos em que é necessária a prototipagem rápida de estruturas volumétricas. As impressoras FDM são compatíveis com uma variedade de materiais poliméricos, incluindo ácido polilático (PLA), acrilonitrila butadieno estireno (ABS), polietileno tereftalato glicol (PETG), diferentes ligas, misturas de polímeros e nanoestruturas e muitos outros. Esses plásticos já estavam integrados em dispositivos de antena (por exemplo, 25,26). Além disso, vários materiais poliméricos podem ser impressos em paralelo durante a fabricação em uma única sessão27,28. No entanto, os plásticos são dielétricos com um contraste eletromagnético relativamente baixo. Normalmente, a permissividade varia entre 2,5 e 3,5 na banda de 1 a 10 GHz com a tangente de perda de 10-3-10-1 para PLA28. Esses números, no entanto, dependem dos parâmetros de fabricação, principalmente do fator de preenchimento do polímero em uma unidade de volume. As perdas eletromagnéticas tornam-se dramaticamente altas se materiais condutores, por exemplo, flocos de grafeno, forem misturados em filamentos de polímero. Aqui, a tangente de perda pode se aproximar da unidade, tornando esses materiais quase irrelevantes para uso em dispositivos de comunicação sem fio. Uma solução definitiva para a fabricação de dispositivos volumétricos de RF é a impressão de metal, por exemplo, realizada com sinterização direta de metal a laser29. No entanto, as impressoras de metal, embora forneçam estruturas metálicas de contraste de RF autônomas de alta qualidade, permanecem extremamente caras, motivando o desenvolvimento de outras abordagens.