Basse simple - Groupe LFHF

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 7963 (2022) Citer cet article

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La fabrication additive de structures volumétriques complexes a ouvert de nouvelles frontières dans de nombreux domaines technologiques, transformant des conceptions auparavant inconcevables en une réalité pratique. Les composants électromagnétiques, y compris les éléments d'antenne et de guidage d'ondes, peuvent bénéficier de l'exploration de la troisième dimension. Alors que les imprimantes polymères à modélisation par dépôt de fil fondu (FDM) deviennent largement accessibles, elles fabriquent des structures avec des permittivités électromagnétiques modérément faibles, par rapport aux métaux. Cependant, les imprimantes 3D métalliques, étant capables de produire des constructions volumétriques complexes, restent des appareils extrêmement coûteux et difficiles à entretenir, adaptés aux applications haut de gamme du marché. Ici, nous développons une nouvelle technique d'impression de métal, basée sur un dispositif FDM simple et peu coûteux et un dépôt électrochimique ultérieur. Pour tester la nouvelle méthode, nous avons fabriqué plusieurs dispositifs d'antenne et comparé leurs performances à celles d'homologues imprimés standard à base de cartes gravées au FeCl3, démontrant ainsi les avantages évidents de la nouvelle technique. Notre nouvelle impression sur métal peut être appliquée à la fabrication d'appareils électromagnétiques ainsi que de structures métalliques pour d'autres applications.

La fabrication additive permet d'explorer des structures volumétriques complexes dans diverses disciplines fondamentales et appliquées1. La gamme de nouvelles capacités permet de reconsidérer les approches conventionnelles en mécanique2,3,4, la gestion thermique5, la médecine6, la robotique7, l'électronique8,9 et de nombreux autres domaines appliqués, par exemple10,11 où de nouvelles architectures et plates-formes matérielles peuvent offrir des capacités jamais prévues.

Les composants matériels, prenant en charge les liaisons de communication sans fil, peuvent également bénéficier de l'exploration des géométries volumétriques. Traditionnellement, les architectures planaires des composants radiofréquence (RF), y compris les guides d'ondes et les antennes, sont intégrées dans les circuits électroniques imprimés. Cette approche est favorable en raison de la fabrication lithographique couche par couche bien établie. L'impression 3D fonctionnelle, cependant, permet d'explorer des conceptions conceptuellement différentes avec des performances électromagnétiques potentiellement meilleures. Si le principe d'équivalence de surface suggère la possibilité de remplacer une réalisation volumétrique par une surface d'impédance, enfermant le volume de la structure initiale12, les aspects pratiques jouent un rôle13, soulignant les avantages réels des conceptions volumétriques. Plusieurs techniques de fabrication additive ont été récemment développées pour créer des dispositifs RF de haute qualité14. Le fraisage CNC15,16, la structuration directe au laser17,18,19, l'impression conforme d'encres métalliques20,21, l'enrobage de treillis métallique par ultrasons22 et le dépôt de métal à travers un masque sur des surfaces courbes23,24 font partie d'une série de méthodes développées. Malgré les performances éprouvées des techniques mentionnées précédemment, celles-ci sont conçues pour une tâche spécifique et peuvent pourtant être considérées comme une solution ultime dans le domaine. D'autre part, les imprimantes de modélisation par dépôt de fusion (FDM) deviennent disponibles et sont extrêmement peu coûteuses, ce qui en fait le premier choix dans les cas où un prototypage rapide de structures volumétriques est nécessaire. Les imprimantes FDM sont compatibles avec une variété de matériaux polymères, notamment l'acide polylactique (PLA), l'acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polyéthylène téréphtalate glycol (PETG), différents alliages, des mélanges polymères-nanostructures et bien d'autres. Ces plastiques étaient déjà intégrés dans des dispositifs d'antenne (par exemple25,26). De plus, plusieurs matériaux polymères peuvent être imprimés en parallèle lors de la fabrication au sein d'une même session27,28. Cependant, les plastiques sont des diélectriques avec un contraste électromagnétique relativement faible. En règle générale, la permittivité varie entre 2,5 et 3,5 dans la bande 1–10 GHz avec la tangente de perte de 10−3–10−1 pour PLA28. Ces chiffres dépendent cependant des paramètres de fabrication, principalement du facteur de remplissage du polymère dans un volume unitaire. Les pertes électromagnétiques deviennent considérablement élevées si des matériaux conducteurs, par exemple des flocons de graphène, sont mélangés dans des filaments polymères. Ici, la tangente de perte peut s'approcher de l'unité, ce qui rend ces matériaux presque inutiles pour une utilisation dans les appareils de communication sans fil. Une solution ultime pour la fabrication de dispositifs RF volumétriques est l'impression métallique, par exemple réalisée avec un frittage laser direct de métal29. Cependant, les imprimantes métalliques, même si elles fournissent des structures métalliques à contraste RF autonomes de haute qualité, restent extrêmement coûteuses, motivant le développement d'autres approches.

Ici, nous démontrons une impression métallique simple et peu coûteuse, basée sur une technique FDM de faible qualité. La nouvelle méthode est d'abord décrite, puis suivie d'une démonstration de plusieurs dispositifs électromagnétiques efficaces, qui surpassent leurs homologues conventionnels en circuits imprimés (PCB).

Les métaux à haute conductivité RF permettent d'obtenir des performances électromagnétiques supérieures. Cependant, seule une fine couche métallique, ayant une épaisseur de plusieurs épaisseurs de peau, régit l'interaction30. En règle générale, plusieurs microns de cuivre suffisent pour la gamme de fréquences de 1 à 10 GHz. Il convient de noter que le placage autocatalytique peut être utilisé pour recouvrir des polymères non conducteurs, bien que cette approche nécessite des étapes de traitement chimique assez étendues31,32. Une autre technique est la galvanoplastie, où le dépôt électrochimique est effectué sur des matériaux ayant une conductivité basse fréquence suffisante. Dans notre cas, le squelette imprimé en 3D d'une structure sert de cathode. A cet effet, les polymères initialement isolants doivent devenir conducteurs, ce qui se fait en introduisant de petites particules. Des filaments, en PLA, mélangés à des flocons de graphène (GPLA), seront utilisés ici. La résistivité CC de ce matériau disponible dans le commerce (PLA conducteur, 2,85 mm de diamètre, « Proto-pasta ») est d'environ 0,1275 Ω m. Il convient de noter que la conductivité RF de ce matériau est insuffisante pour des applications pratiques. La permittivité des variétés GPLA entre 52 et 15 dans la gamme de fréquences 1–10 GHz, tandis que la tangente de perte est de 0,75–0,8733. Cependant, les squelettes GPLA peuvent servir de cathodes dans la galvanoplastie. Des couches de métaux d'épaisseur allant du micron au millimètre peuvent être déposées sur des structures imprimées par FDM et servir des applications électromagnétiques GHz. Cependant, le GPLA métallisé électrochimiquement reste un substrat et, en raison de sa permittivité relativement élevée, provoque une forte concentration de champ à l'intérieur de son volume, entraînant des pertes modérément élevées. Ces pertes dégradent fortement les performances des antennes et des guides d'ondes, rendant la rentabilité de cette approche discutable. Par conséquent, l'élimination des squelettes GPLA après leur galvanoplastie peut augmenter considérablement les performances des dispositifs électromagnétiques imprimés en 3D. Après avoir effectué cette dernière étape d'élimination du squelette, des structures métalliques autoportantes sont obtenues. Cette nouvelle méthode sera décrite ensuite.

Le processus de fabrication est divisé en plusieurs étapes principales. La première est l'impression d'un squelette. L'imprimante BCN3D Sigmax a été utilisée. BCN3D Cura 3.4.0 pour le découpage en tranches du modèle a été utilisé pour le prototypage (Fig. 1A). Après la fabrication du modèle, l'étape suivante est son post-traitement. La structure a été traitée avec un chiffon, humide avec de l'acétone ou éventuellement, avec un autre solvant (par exemple, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane et autres). Cette étape permet de lisser les rugosités, survenues lors du processus d'impression propre à l'épaisseur finie des buses FDM, 0,4 mm a été utilisé ici. Cependant, seules les petites imperfections, par exemple, les fissures et les bulles, avec des tailles inférieures à 0,5 mm peuvent être efficacement diminuées (Fig. 1B). La prochaine étape est la galvanoplastie. Après la préparation du solvant, la partie électroconductrice du modèle a été activée avec une solution de sulfate de cuivre. Cela rend la surface du modèle plus sensible à la poursuite du processus de galvanisation en raison de l'augmentation de l'adhérence des ions34. Pour obtenir un dépôt uniforme d'ions métalliques sur une surface, celle-ci doit être maintenue à un potentiel électrique presque uniforme. Alors que les cathodes typiques avec une conductivité DC initialement élevée ne possèdent pas de défis supplémentaires, les squelettes GPLA avec une résistivité modérément élevée présentent une chute de tension significative entre les électrodes adjacentes. Pour améliorer l'uniformité du potentiel électrique dans ce cas, nous avons réparti plusieurs électrodes le long de l'échantillon. Ces électrodes (fils de cuivre) ont été isolées de la solution, sinon le dépôt électrochimique se produira principalement sur les contacts, laissant le squelette GPLA découvert. Après avoir effectué ces étapes techniquement simples, les électrodes auxiliaires de la structure ont été connectées à la borne négative d'une source de courant (MATRIX MPS-3003L-3). Une plaque de cuivre, servant de source d'ions, était connectée à la borne positive. Le bain galvanique contenait 70:10:1 d'eau : Cu2SO4 : acide sulfurique. Le courant dans le circuit galvanique a été calculé en utilisant le rapport empirique de 100 mA pour chaque dm2 de surface modèle électroconductrice, qui est un compromis entre la qualité du dépôt et sa vitesse. Le temps de dépôt est défini par une épaisseur de métal requise. L'échantillon a été retiré du bain galvanique et lavé sous l'eau courante froide à la fin du processus (Fig. 1C). Une fois le squelette GPLA métallisé, la dernière étape consiste à retirer le substrat. Le point de fusion des polymères typiques, utilisés dans l'impression FDM, est d'environ 180-230°C. Le métal déposé électrochimiquement, cependant, maintient ces températures. Par conséquent, le squelette peut être retiré dans un four, bien qu'une oxydation mineure des surfaces de cuivre puisse être observée si un environnement à air est utilisé. Une autre option consiste à appliquer un retrait chimique ou simplement à brûler le plastique avec un jet de gaz, que nous avons utilisé ici comme l'option la plus simple (Fig. 1D). En conséquence, le squelette polymère est fondu, tandis que la construction métallique reste autonome - c'est notre proposition d'impression métallique.

L'impression métallique proposée - la séquence d'un prototype de coronavirus métallique autonome. (A) Modélisation 3D et découpage. (B) Impression 3D FDM d'un squelette conducteur en PLA (GPLA). (C) Galvanoplastie de la surface du prototype. (D) Retrait du squelette en plastique.

Les caractéristiques du modèle résultant sont les suivantes : l'épaisseur de la couche métallique est d'au moins 0,5 mm, ce qui permet au modèle de rester debout après le retrait du squelette, la taille globale de la structure peut atteindre des dizaines de centimètres dans n'importe quelle direction (par notre modèle le maximum est de 11,8 cm), la rugosité de surface est inférieure à 0,1 mm et la couverture de surface est assez uniforme dans toutes les zones. Le cycle de fabrication est l'impression (3 à 8 h généralement), le post-traitement (0,5 à 1 h) et la galvanoplastie (24 à 48 h).

Pour tester les performances de la nouvelle technique de fabrication, l'identification par radiofréquence (RFID) a été choisie comme application. Le développement rapide de l'Internet des objets (IoT)35 et un concept émergent d'Internet des petites choses—IoST (par exemple36) motivent le développement de nouvelles balises miniatures à longue portée avec des réponses omnidirectionnelles (par exemple37,38,39). Ici, des conceptions efficaces à faible coût sont essentielles pour alimenter cette application. Les étiquettes RFID sont constituées d'un circuit intégré et d'une antenne, qui, dans de nombreux cas, régit les performances. L'exploration des géométries volumétriques peut fournir un avantage par rapport aux conceptions 2D conventionnelles.

Ci-après, nous évaluerons l'impact de la suppression du GPLA sur les performances de l'antenne. Une géométrie assez générique, rapportée en40 (Fig. 2A, encart, panneau D), sera utilisée pour les investigations. La structure est un dipôle, considéré dans la gamme de fréquence de 750 MHz à 10 GHz, qui capte à la fois : la zone résonnante principale (autour de 850 MHz, pour laquelle la structure a été initialement conçue), et une zone non résonnante (1 à 10 GHz) où l'antenne a un diagramme de rayonnement plus complexe et pas nécessairement adapté en impédance. La conception plutôt connue a été choisie pour évaluer les performances de la nouvelle méthodologie de fabrication par rapport aux normes existantes. CST Microwave Studio a été utilisé pour l'analyse. L'épaisseur du substrat GPLA a été prise égale à 2 mm uniforme et conforme à l'antenne. La figure 2A montre la puissance absorbée dans la structure avec et sans squelette GPLA. Ce paramètre a été calculé comme un équilibre entre quatre canaux - la puissance (i) entrante lancée dans le port de l'antenne, (ii) rayonnée totale (iii) réfléchie vers le port en raison de l'inadéquation de l'impédance et (iv) absorbée. Il est évident que l'élimination du GPLA réduit considérablement l'absorption sur toute la gamme de fréquences. La différence est plus prononcée à des fréquences plus élevées. En termes de diagrammes de rayonnement, les deux configurations montrent une émission dipolaire bien définie à des fréquences plus basses (par exemple, 850 MHz, Fig. 2B et 1,5 GHz, Fig. 2C). Cependant, à des fréquences plus élevées (7 GHz, Fig. 2E), l'antenne métallique autoportante à faible perte a un diagramme de rayonnement de type quadripôle, tandis que le squelette GPLA éteint le rayonnement de manière assez significative. Étant donné que la localisation en champ proche augmente avec l'augmentation du nombre de multipôles (par exemple 41, 42), la différence très prononcée entre les diagrammes de rayonnement est observée aux hautes fréquences, où le substrat GPLA présente une absorption sévère. Bien que la structure ne soit pas résonnante, elle présente toujours des pertes internes importantes et ne peut pas être utilisée comme élément de rayonnement, soulignant l'avantage évident de l'élimination du substrat GPLA. Cette tendance générale peut être vue plus en détail en comparant les panneaux (F), (G) et (H), où chaque coupe horizontale de la carte de couleurs correspond au diagramme de rayonnement non emballé. Le squelette GPLA conduit à un flou important à des fréquences plus élevées. Le gain maximal atteint 4 sur l'échelle linéaire.

Comparaison numérique entre 2 antennes, avec et sans substrat GPLA. (A) Puissance absorbée normalisée dans l'appareil (en %) — ligne verte — avec GPLA, violet — sans GPLA. (B), (C) et (E) Diagrammes de rayonnement à 850 MHz, 1,5 GHz et 7 GHz, respectivement. (D) Disposition de l'antenne. (F), (G) et (H) Cartes en couleur des diagrammes de rayonnement non emballés (échelle linéaire). Axes horizontal et vertical - dépendances angulaires et fréquentielles, respectivement. Le gain d'antenne est représenté par une couleur sur une échelle linéaire.

Pour vérifier les affirmations et les évaluations faites au préalable, des études expérimentales ont été réalisées. La conception et la fabrication de PCB standard ont été réalisées pour obtenir un échantillon de référence. La figure 3 illustre les dispositifs—référence PCB (panneau A), antenne imprimée en 3D avec squelette GPLA (panneau B) et structure métallique autonome, qui a été obtenue après le retrait du GPLA (panneau C). Les caractéristiques de l'antenne ont été acquises dans une chambre anéchoïque (Fig. 3H). Les antennes ont été connectées à l'analyseur de réseau vectoriel (VNA) Rohde & Schwarz RTO1024 à l'aide d'un câble coaxial et montées sur une table rotative azimutale en face de l'antenne cornet de mesure (également connectée au même VNA). Des supports en polystyrène, étant transparents aux ondes GHz, ont été utilisés. La table a été tournée entre 0° et 360° par pas de 1°. Des coefficients de transmission complexes (S12) ont été obtenus pour toute la gamme de fréquences et pour chaque angle. Les cartes de couleur (Fig. 3D – F) résument les résultats expérimentaux - les lignes horizontales sont des diagrammes de rayonnement angulaires non enveloppés aux fréquences de balayage. Les lignes verticales représentent l'évolution du diagramme de rayonnement avec la fréquence. L'antenne autoportante en métal présente les meilleures performances, par rapport aux deux références. L'avantage est plus prononcé à des fréquences plus élevées, où le GPLA et le FR4 (matériau PCB) ont des pertes plus élevées. Les efficacités de rayonnement totales des échantillons ont été mesurées et les résultats apparaissent sur la figure 3G. L'antenne métallique surclasse ses homologues pour toutes les fréquences de la bande à l'exception de quelques points où les résultats fluctuent du fait des réflexions parasites de l'appareil de mesure.

Représentation expérimentale des données. Comparaison entre (A) à base de PCB, (B) substrat GPLA et (C) antennes métalliques autoportantes. (D – F) Cartes en couleur des diagrammes de rayonnement non emballés (échelle linéaire). Axes horizontal et vertical - dépendances angulaires et fréquentielles, respectivement. L'énergie reçue est représentée en échelle linéaire, en unités arbitraires. (G) Efficacité du rayonnement, en fonction de la fréquence. Antenne à base de PCB — ligne orange, antenne à base de GPLA — vert et antenne métallique — violet. (H) Photographie de la configuration expérimentale dans une chambre anéchoïque.

Une nouvelle approche d'impression métallique simple et peu coûteuse a été développée et ses avantages dans le domaine des dispositifs électromagnétiques fabriqués de manière additive ont été démontrés. Notre méthode est basée sur l'impression FDM de squelettes avec l'ensemble ultérieur d'opérations de post-traitement relativement simples. Le processus est résumé dans les cinq étapes suivantes : (i) impression 3D d'un squelette avec un polymère conducteur, (ii) traitement de surface pour améliorer le lissé, (iii) distribution d'électrodes auxiliaires sur le squelette, (iv) galvanoplastie, et (v ) élimination du squelette. À la suite du processus, des structures métalliques autoportantes peuvent être obtenues. L'avantage de l'élimination du substrat a été analysé numériquement et expérimentalement, démontrant une amélioration significative des caractéristiques de l'antenne. En particulier, les pertes à haute fréquence ont été réduites de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux échantillons, où un squelette de polymère conducteur était présent. Les différences sont beaucoup plus prononcées à des fréquences plus élevées, où les polymères conducteurs ont des performances plus lâches. De plus, il a été démontré que les antennes métalliques autoportantes, fabriquées par notre nouveau procédé d'impression, surpassent les réalisations standard à base de PCB, qui souffrent également de pertes à des fréquences supérieures à 5 GHz, si des substrats FR4 sont utilisés.

Bien qu'il soit évident que notre nouveau procédé ne peut pas rivaliser avec l'impression directe sur métal, basée par exemple sur le frittage laser, sur les performances, il peut fournir des solutions suffisantes à un coût extrêmement faible. Il convient de noter que les structures fabriquées devaient avoir une géométrie ouverte pour permettre l'écoulement du polymère fondu. La poursuite des progrès de cette technologie peut permettre de créer des formes plus complexes et de révéler leurs avantages dans les applications électromagnétiques. De plus, de nombreux efforts sont déployés pour imprimer en 3D des circuits électroniques, à la fois des éléments passifs et actifs. Compte tenu de cette capacité développée, la fabrication additive d'une antenne avec une électronique accordable deviendra possible. Le coût de production global dans ce cas peut chuter de manière significative, faisant de la fabrication additive des dispositifs RF le premier choix de référence.

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La recherche a été soutenue en partie par le programme fédéral de leadership universitaire Priorité 2030 et par le ministère israélien des sciences et de la technologie (Projet "Impression fonctionnelle 2D et 3D intégrée de batteries avec métamatériaux et antennes"). Les auteurs remercient le professeur Yosi Shacham-Diamand, Université de Tel Aviv, pour les discussions.

Centre de photonique et de matériaux 2D, Institut de physique et de technologie de Moscou, Dolgoprudny, Russie, 141700

Vladimir D. Burtsev, Tatyana S. Vosheva & Dmitry S. Filonov

Telecom R&D Center, Moscow Institute of Physics and Technology, Dolgoprudny, Russie, 141700

Anton A. Khudykin

École de génie électrique, Université de Tel Aviv, 69978, Tel Aviv, Israël

Pavel Ginzbourg

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VB et PG ont rédigé le texte principal du manuscrit et effectué une revue de la littérature. VB, PG et DF préparés Figs. 1, 2 et 3. VB, TV et AK ont réalisé des simulations numériques. PG et DF ont identifié les pré-requis théoriques et réalisé l'encadrement. Tous les auteurs ont examiné le manuscrit.

Correspondance à Vladimir D. Burtsev.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Burtsev, VD, Vosheva, TS, Khudykin, AA et al. Impression métallique 3D simple et peu coûteuse via la gravure de squelette en plastique. Sci Rep 12, 7963 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-11430-2

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Reçu : 03 février 2022

Accepté : 13 avril 2022

Publié: 13 mai 2022

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-022-11430-2

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