Antennen sind unverzichtbar für nahezu alle elektronischen Geräte, und die Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit steigen kontinuierlich. Insbesondere in den Bereichen 5G/6G-Netzwerke, tragbare Elektronik und Raumfahrtanwendungen wie CubeSats wächst der Bedarf an leichteren und vielseitigeren Designs. Bislang standen jedoch die Herstellungsverfahren der Entwicklung komplexer, mehrmaterialiger Antennenstrukturen im Weg.
Ein Forscherteam unter der Leitung von Xiaoyu (Rayne) Zheng, Professor an der University of California, Berkeley, hat nun eine neuartige Plattform entwickelt, die flexiblere und schnellere Fertigungsmöglichkeiten bietet. Die sogenannte „Charge Programmed Multi-Material 3D Printing“ (CPD)-Technologie wurde kürzlich in Nature Communications unter dem Titel „Ultra-light antennas via charge programmed deposition additive manufacturing“ vorgestellt. Sie ermöglicht den 3D-Druck komplexer Antennen aus hochleitfähigen Metallen und dielektrischen Materialien.
Einfache Integration und präzise Musterung
Im Gegensatz zu teuren Metall-3D-Druckern mit hohem Energieaufwand basiert die CPD-Methode auf einem Desktop-3D-Drucker und einer katalytischen Technologie. Diese erlaubt es, Metallionen gezielt in Polymerstrukturen abzulagern, um leitfähige und nicht leitfähige Phasen innerhalb eines Druckprozesses zu kombinieren. Damit können Materialien wie Kupfer, magnetische Werkstoffe, Halbleiter und Nanomaterialien miteinander verbunden werden.
„Die Technologie kann mit gängigen Desktop-Lichtdruckern genutzt werden und bietet nahezu unbegrenzte Designmöglichkeiten“, erklärte Zheng. Besonders für Anwendungen in extremen Umgebungen wie dem Weltraum sei dies von Vorteil. Hier können beispielsweise Hochtemperaturpolymere wie Kapton, die extremen Temperaturen standhalten, direkt mit Metallen zu komplexen, leichten Antennenstrukturen kombiniert werden.
Vielseitige Anwendungen in der Praxis
Das Team demonstrierte, dass durch die Verwendung dieser Methode signifikante Gewichtseinsparungen erzielt werden können, da die Antennen keine schweren Trägersubstrate mehr benötigen. Co-Autor Yahya Rahmat-Samii, Professor an der UCLA, hob hervor, dass die Technologie eine datengetriebene Entwicklung neuer Antennendesigns für unterschiedlichste Anwendungen ermöglicht. Von tragbaren Sensoren bis hin zu medizinischen Anwendungen sieht er ein enormes Potenzial.
„Diese Methode erlaubt eine kontrollierte Strukturierung, mit der elektromagnetische Wellen gezielt geformt werden können“, sagte Zheng. Zukünftige Forschungsarbeiten werden sich auf die Ausweitung der Designkomplexität und die Optimierung für spezifische Anwendungen konzentrieren.
Das Team plant, die CPD-Technologie weiterzuentwickeln und ihre Einsatzmöglichkeiten zu erweitern. Ein Startup wurde bereits gegründet, das flexible medizinische Sensoren entwickelt, die sich beispielsweise der Form einer Hand anpassen können.
