3D-Druck: Herstellung von Antenne für 5G-Netz

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Isotrope, hochdichte Materialien, eine hohe Genauigkeit und die bemerkenswerte Oberflächenbeschaffenheit der mit dem XJet Nano Particle Jetting gedruckten Teile sind für die Anwendung entscheidend.

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Isotrope, hochdichte Materialien, eine hohe Genauigkeit und die bemerkenswerte Oberflächenbeschaffenheit der mit dem XJet Nano Particle Jetting gedruckten Teile sind für die Anwendung entscheidend.

XJet Ltd., ein Spezialist für additive Fertigung, hat auf der Rapid + TCT bekanntgegeben, dass die University of Delaware (UDEL) ein Carmel 1400 AM-System von XJet installiert hat. UDEL wird den XJet Keramik-3D-Drucker zur Entwicklung der neuartigen Antennentechnologie „Passive Beam Steering“ verwenden, die neben anderen Anwendungen für das 5G-Netz eingesetzt wird.

Das XJet AM-System Carmel 1400, bei dem die Nano Particle Jetting (NPJ)-Technologie des Unternehmens zum Einsatz kommt, löst eines der größten mit der Einführung des 5G-Netzes verbundenen Probleme. 5G-Signale übertragen Daten 10 bis 20 Mal schneller als 4G/3G. Sie reagieren jedoch empfindlicher auf Objekte und Interferenzen. Zur Lösung dieses Problems wird eine sehr große Anzahl von Antennen benötigt. Die bestehende Antennentechnologie ist einfach zu kostspielig, um die von 5G benötigte Infrastruktur erfolgreich zu skalieren.

Laut Mark Mirotznik, Professor of Electrical Engineering an der University of Delaware, hat das Forschungsteam der Universität Spezialsoftware und Algorithmen entwickelt, die die Konstruktion kleiner, leichter und kosteneffektiver 5G-Antennen ermöglichen. Das Hauptproblem des Forschungsteams der Universität bestand darin, dass es noch keinen Prozess zur Herstellung einer Linse mit der komplexen Struktur, den kleinen Kanälen und den Materialeigenschaften gab, die diese Anwendung erforderte. Dann wurde die Universität auf XJet aufmerksam.

„Die Entdeckung der Nano Particle-Jetting-Technologie von XJet war ein echtes Aha-Erlebnis. Sie löste auf einen Schlag unser bisheriges Problem: die Materialeigenschaften und die geometrischen Eigenschaften zu erzielen, die für unsere Lösung entscheidend waren. NPJ ist der einzige Prozess, der in der Lage ist, die Innenwände jedes Kanals mit der Genauigkeit und Gleichmäßigkeit herzustellen, die erforderlich sind, um die Wellenrichtung beizubehalten. Das von XJet verwendete Material ist ein isotroper, 100 Prozent hochdichter Keramikwerkstoff mit der richtigen Dielektrizitätskonstante, der das Signal nicht „absorbiert“ oder abschwächt. Jede noch so geringe Toleranzschwankung kann zur Umleitung des Signals zum falschen Ort führen, und das können wir uns nicht leisten,” sagt Mirotznik.

Die an der Youngstown State University (YSU) mit einem XJet Carmel 1400-System (Eigentum von Youngstown Business Incubator und von der Universität betrieben) durchgeführten Forschungsarbeiten untermauern die von der University of Delaware erzielten Ergebnisse in Bezug auf die Dichte, die isotropen Eigenschaften, die Dielektrizitätskonstante und die Verwendung des XJet für die Entwicklung von Geräten wie 5G-Antennen.

„Wir haben Forschungen durchgeführt, um die Art und die Eigenschaften von Zirkonoxid beim Druck mit dem XJet-System zu ermitteln. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kristallstruktur der Drucke fast gleichförmig ist; die Dielektrizitätskonstante ist hoch, während die Verlusttangente niedrig ist. Beide sind nahezu mit dem Wert identisch, den man von einem nicht gedruckten Kristall erwarten würde. Diese Dielektrizitätskonstante mit geringem Verlust erschließt uns neue Möglichkeiten für den 3D-Druck einer Vielzahl von Mikrowellengeräten, einschließlich Antennen, Linsen und Filtern. Es wurden zwei einfache mit dem Material hergestellte dielektrische Resonatorantennen vorgeführt, um zu zeigen, dass die gemessenen Materialeigenschaften für das präzise Design derartiger Geräte mit elektromagnetischen Simulationstools verwendet werden können,” sagt Professor Eric MacDonald, Friedman Chair for Manufacturing, YSU.

„Die Anwendung der NanoParticle-Jetting-Technologie für Antennen an der University of Delaware ist eine bahnbrechende Entwicklung. 5G wird zweifellos eine Revolution in der Wireless-Technologie herbeiführen und die Konnektivität mit sich bringen, um alles von fahrerlosen Autos über Smart Cities bis zu Telechirurgie, Live-Streaming von Virtual-Reality-Inhalten und die Aussicht auf ein unbegrenztes ‚Internet of Things‘ zu unterstützen,” sagte XJet-CEO Hanan Gothait.

„Um dies zu erreichen, muss die Technologie außerordentlich zuverlässig sein. Wir sind überzeugt, dass NPJ über ideale Voraussetzungen dafür verfügt. 5G-Antennen müssen in millionenfacher Stückzahl hergestellt werden, um ein erfolgreiches, voll funktionsfähiges globales 5G-Netz aufzubauen – und millionenfache Stückzahlen entsprechen genau der Produktivität, für die dieses System entwickelt wurde,” sagt Gothait.

Bild: Die „Passive Beam Steering”-Lösung der University of Delaware – eine 5G-Antenne, die eine 3D-gedruckte dielektrische Gradientenlinse (Beamforming) verwendet.

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