シンプルロー - LFHFグループ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 7963 (2022) この記事を引用

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複雑な体積構造の積層造形は、多くの技術分野で新たな境地を開き、以前は考えられなかった設計を実用的な現実に変えました。アンテナや導波素子などの電磁コンポーネントは、3 次元を探索することで恩恵を受けることができます。溶融堆積モデリング (FDM) ポリマープリンターは広く利用できるようになりましたが、金属と比較して電磁誘電率が適度に低い構造を製造します。しかし、金属 3D プリンタは複雑な体積構造を製造できるため、ハイエンド市場の用途に適した非常に高価でメンテナンスが難しい装置のままです。ここでは、低コストでシンプルな FDM デバイスとそれに続く電気化学的堆積に基づく、新しい金属印刷技術を開発します。新しい方法をテストするために、いくつかのアンテナデバイスを製造し、その性能を標準的なプリントされた FeCl3 エッチング基板ベースの対応物と比較し、新しい技術の明らかな利点を実証しました。当社の新しい金属印刷は、電磁装置や他の用途の金属構造の製造にも適用できます。

積層造形により、さまざまな基礎分野および応用分野にわたる複雑な体積構造の探索が可能になります1。一連の新機能により、力学 2、3、4、熱管理 5、医学 6、ロボット工学 7、エレクトロニクス 8、9、およびその他の多くの応用分野、たとえば、新しいアーキテクチャと材料プラットフォームがこれまでに予見された機能を実現できる 10、11 分野における従来のアプローチの再考が可能になります。

無線通信リンクをサポートするハードウェアコンポーネントも、体積ジオメトリの探索から恩恵を受けることができます。従来、導波管やアンテナなどの無線周波数 (RF) コンポーネントの平面アーキテクチャは、プリント電子回路内に統合されていました。このアプローチは、層ごとのリソグラフィー製造が十分に確立されているため、有利です。しかし、機能的な 3D プリンティングでは、より優れた電磁性能を備えた概念的に異なる設計を検討することができます。表面等価原理は、初期構造の体積を囲むインピーダンス表面で体積の実現を置き換えることができることを示唆していますが 12、実際的な側面が役割を果たし 13、体積設計の実際の利点を強調しています。高品質の RF デバイスを作成するために、いくつかの積層造形技術が最近開発されました 14。 CNC フライス加工 15、16、レーザー直接構造化 17、18、19、金属インクのコンフォーマル印刷 20、21、超音波ワイヤーメッシュ埋め込み 22、および曲面へのマスクを介した金属蒸着 23、24 は、一連の開発された方法の中にあります。前述のテクニックの実績のあるパフォーマンスにもかかわらず、これらのテクニックは特定のタスクごとに設計されていますが、現場では究極のソリューションと見なすことができます。一方、溶融堆積モデリング (FDM) プリンターが入手可能になり、非常に低コストであるため、体積構造の迅速なプロトタイピングが必要な場合の最初の選択肢となっています。 FDM プリンタは、ポリ乳酸 (PLA)、アクリロニトリルブタジエンスチレン (ABS)、ポリエチレンテレフタレートグリコール (PETG)、さまざまな合金、ポリマーとナノ構造の混合物など、さまざまなポリマー材料と互換性があります。これらのプラスチックはすでにアンテナデバイス内に組み込まれています (例 25、26)。さらに、複数のポリマー材料を単一セッション内で製造中に並行して印刷することができます27、28。ただし、プラスチックは電磁コントラストが比較的低い誘電体です。通常、誘電率は 1 ～ 10 GHz 帯域で 2.5 ～ 3.5 の範囲にあり、PLA28 の損失正接は 10-3 ～ 10-1 です。ただし、これらの数値は製造パラメータ、主に単位体積内のポリマーの充填率に依存します。グラフェンフレークなどの導電性材料がポリマーフィラメント内に混合されている場合、電磁損失は劇的に高くなります。ここでは、損失正接が 1 に近づく可能性があるため、これらの材料は無線通信デバイスでの使用にはほとんど無関係になります。体積測定 RF デバイスを製造するための究極のソリューションは、たとえば直接金属レーザー焼結で実行される金属印刷です 29。しかし、金属プリンターは、高品質のスタンドアロン RF コントラスト金属構造を提供するにもかかわらず、依然として非常に高価であり、他のアプローチの開発の動機となっています。

ここでは、低グレードの FDM 技術に基づいた、シンプルで低コストの金属印刷を示します。最初に新しい方法について説明し、次にいくつかの効率的な電磁装置のデモンストレーションを行います。これらの装置は従来のプリント基板 (PCB) の対応物よりも優れた性能を発揮します。

高い RF 伝導率を持つ金属により、優れた電磁性能が得られます。しかし、相互作用を支配するのは、数表皮深さの厚さを持つ薄い金属層だけです30。通常、1 ～ 10 GHz の周波数範囲には数ミクロンの銅で十分です。無電解めっきを使用して非導電性ポリマーをカバーできることは注目に値しますが、このアプローチには非常に大規模な化学処理ステップが必要です31、32。もう 1 つの技術は電気メッキです。この技術では、十分な低周波伝導性を備えた材料上に電気化学的堆積が行われます。私たちの場合、3D プリントされた構造の骨格が陰極として機能します。この目的のためには、最初に隔離されたポリマーが導電性になる必要があり、これは小さな粒子を導入することによって行われます。ここでは、グラフェンフレーク (GPLA) を混合した PLA 製のフィラメントが使用されます。この市販の材料 (導電性 PLA、直径 2.85 mm、「Proto-pasta」) の DC 抵抗率は約 0.1275 Ω・m です。この材料の RF 伝導率は実際の用途には不十分であることに注意してください。 GPLA の誘電率は 1 ～ 10 GHz の周波数範囲で 52 ～ 15 の範囲にあり、損失正接は 0.75 ～ 0.8733 です。ただし、GPLA スケルトンは電気めっきの陰極として機能します。ミクロンからミリメートルの厚さの金属層を FDM 印刷構造上に堆積でき、GHz 電磁アプリケーションに役立ちます。ただし、電気化学的に金属化された GPLA は基板として残り、その比較的高い誘電率により、その体積内で高い電界集中を引き起こし、中程度に高い損失を引き起こします。これらの損失により、アンテナと導波管の性能が大幅に低下し、このアプローチの収益性に疑問が生じます。その結果、電気めっき後に GPLA スケルトンを除去すると、3D プリントされた電磁デバイスの性能が大幅に向上する可能性があります。この最後の骨格除去ステップを実行すると、自立型の金属構造が得られます。次に、この新たな方法について説明する。

製造プロセスはいくつかの主要なステップに分かれています。 1つ目はスケルトンの印刷です。 BCN3Dシグマックスプリンターを採用。プロトタイピングには、モデルをスライスするための BCN3D Cura 3.4.0 が使用されました (図 1A)。モデルを製造したら、次のステップは後処理です。この構造を、アセトンで湿らせた布で、または場合によっては別の溶媒（例えば、1,2-ジクロロエタン、ジクロロメタンなど）で処理した。このステップにより、FDM ノズルの有限な厚さによって印刷プロセス中に発生する粗さを滑らかにすることができます。ここでは 0.4 mm が使用されました。ただし、効率的に除去できるのは、サイズが 0.5 mm 未満の小さな欠陥 (亀裂や気泡など) のみです (図 1B)。次の段階は電気メッキです。溶媒の調製後、モデルの導電部分を硫酸銅溶液で活性化しました。これにより、イオンの付着力が増加するため、モデルの表面はさらなる亜鉛メッキ処理に対してより敏感になります34。表面上に金属イオンを均一に堆積させるには、表面をほぼ均一な電位に保つ必要があります。初期に高い DC 導電率を備えた一般的なカソードには特別な問題はありませんが、適度に高い抵抗率を備えた GPLA スケルトンは、隣接する電極間で大幅な電圧降下を示します。この場合の電位の均一性を改善するために、サンプルに沿っていくつかの電極を配置しました。これらの電極 (銅線) は溶液から隔離されています。そうでないと、主に電気化学的析出が接点上で発生し、GPLA 骨格が露出したままになります。これらの技術的に単純なステップを実行した後、構造の補助電極を電流源 (MATRIX MPS-3003L-3) の負端子に接続しました。イオン源として機能する銅板をプラス端子に接続しました。ガルバニック浴には、70:10:1 の水:Cu2SO4:硫酸が含まれていました。ガルバニック回路内の電流は、導電性モデル表面の dm2 ごとに 100 mA という経験的な比率を使用して計算されました。これは、堆積の品質と速度の妥協点です。堆積時間は、必要な金属の厚さによって決まります。プロセスの最後に、サンプルをガルバニック浴から取り出し、冷水の流下で洗浄しました (図 1C)。 GPLA 骨格が金属化された後の最後の段階では、基板を除去します。 FDM 印刷で使用される一般的なポリマーの融点は約 180 ～ 230 ℃です。しかし、電気化学的に堆積された金属は、これらの温度を維持します。したがって、骨格はオーブンで除去できますが、空気環境を使用すると銅表面のわずかな酸化が観察される可能性があります。もう 1 つのオプションは、化学的除去を適用するか、ガスジェットでプラスチックを単に燃やすことです。ここでは最も簡単なオプションとしてこれを使用しました (図 1D)。その結果、ポリマー骨格は溶けますが、金属構造は独立したままになります。これが私たちが提案する金属印刷です。

提案された金属印刷 - 自立型金属コロナウイルスのプロトタイピングのシーケンス。 (A) 3D モデリングとスライス。 (B) 導電性 PLA (GPLA) スケルトンの FDM 3D プリント。 (C) プロトタイプの表面の電気メッキ。 (D) プラスチック骨格の除去。

結果として得られるモデルの特徴は次のとおりです。金属層の厚さは少なくとも 0.5 mm で、骨格を除去した後もモデルは自立した状態を維持できます。構造全体のサイズは、任意の方向に沿って数十センチメートルに達する可能性があります (私たちのモデルの最大値は 11.8 cm)、表面粗さは 0.1 mm 未満で、表面被覆率はすべての領域で非常に均一です。製造サイクルは、印刷 (通常 3 ～ 8 時間)、後処理 (0.5 ～ 1 時間)、および電気メッキ (24 ～ 48 時間) です。

新しい製造技術の性能をテストするために、アプリケーションとして無線周波数識別 (RFID) が選択されました。モノのインターネット (IoT)35 の急速な発展と、小さなモノのインターネットの新たな概念、IoST (例 36) は、全方向応答を備えた新しい小型長距離タグの開発を動機付けています (例 37、38、39)。このアプリケーションを強化するには、効率的で低コストの設計が不可欠です。 RFID タグは集積回路とアンテナで構成されており、多くの場合、これが性能を左右します。体積幾何学的形状を探索すると、従来の 2D 設計を上回る利点が得られます。

以下では、GPLA の除去がアンテナの性能に及ぼす影響を評価します。 40 で報告されているかなり一般的な形状 (図 2A、挿入図、パネル D) が調査に使用されます。この構造は、750 MHz ～ 10 GHz の周波数範囲で考慮されたダイポールであり、主共振領域 (最初に構造が設計された約 850 MHz) と非共振ゾーン (1 ～ 10) の両方を捕捉します。 GHz) では、アンテナはより複雑な放射パターンを持ち、必ずしもインピーダンスが整合しているわけではありません。このかなり有名な設計は、新しい製造方法と既存の標準のパフォーマンスを評価するために選択されました。分析には CST Microwave Studio を使用しました。 GPLA 基板の厚さは 2 mm とし、アンテナと共形にしました。図 2A は、GPLA 骨格がある場合とない場合の構造内の吸収電力を示しています。このパラメータは、4 つのチャネル間のバランスとして計算されました。つまり、(i) アンテナポートに入力される電力、(ii) 総放射、(iii) インピーダンスの不整合によるポートへの逆反射、(iv) 吸収の電力です。 GPLA を除去すると、周波数範囲全体に渡って吸収が大幅に減少することは明らかです。この違いは、周波数が高くなるほど顕著になります。放射パターンに関しては、どちらの構成も、より低い周波数（たとえば、850 MHz、図 2B、および 1.5 GHz、図 2C）で明確に定義された双極子放射を示します。ただし、より高い周波数 (7 GHz、図 2E) では、低損失の自立型金属アンテナは四重極のような放射パターンを持ちますが、GPLA 骨格は放射を大幅に消光します。多重極数（例: 41、42）の増加に伴って近接場局在化が大きくなるため、GPLA 基板が深刻な吸収を示す高周波では、放射パターン間の非常に顕著な差が観察されます。この構造は共振していませんが、依然として重大な内部損失があり、放射素子として使用することはできません。これは、GPLA 基板を除去することの明らかな利点を強調しています。この一般的な傾向は、パネル (F)、(G)、および (H) を比較するとさらにわかります。カラーマップの各水平カットは、アンラップされた放射パターンに対応します。 GPLA スケルトンは、高周波数で重大なブラーを引き起こします。最大ゲインはリニアスケールで 4 に達します。

GPLA 基板を使用した場合と使用しない場合の 2 つのアンテナ間の数値比較。 (A) デバイス内の正規化された吸収電力 (%) - 緑色の線 - GPLA あり、紫色 - GPLA なし。 (B)、(C)、(E) それぞれ 850 MHz、1.5 GHz、7 GHz での放射パターン。 (D) アンテナのレイアウト。 (F)、(G)、(H) アンラップ放射パターンのカラーマップ (線形スケール)。横軸と縦軸 - それぞれ角度と周波数の依存性。アンテナゲインは線形スケールの色で表されます。

事前に行われた主張と評価を検証するために、実験研究が実行されました。基準サンプルを取得するために、標準的な PCB 設計と製造が行われました。図 3 は、PCB リファレンス (パネル A)、GPLA スケルトンを備えた 3D プリントアンテナ (パネル B)、および GPLA 除去後に得られたスタンドアロン金属構造 (パネル C) のデバイスを示しています。アンテナ特性は電波暗室で取得されました (図 3H)。アンテナは、同軸ケーブルを使用してローデ・シュワルツ RTO1024 ベクトルネットワークアナライザ (VNA) に接続され、測定ホーンアンテナ (同じ VNA に接続されている) の反対側の方位角回転テーブルに取り付けられました。ＧＨｚ波を透過するポリスチレン支持体を使用した。テーブルは 0° ～ 360° の間で 1° ステップで回転しました。複素透過係数 (S12) は、全周波数範囲および各角度に対して取得されました。カラーマップ (図 3D ～ F) は実験結果を要約したものです。水平線は掃引周波数でのラップされていない角度放射パターンです。垂直線は、周波数に伴う放射パターンの変化を表します。金属製の自立型アンテナは、両方のリファレンスと比較して最高のパフォーマンスを示します。この利点は周波数が高くなるとより顕著になり、GPLA と FR4 (PCB 材料) の両方の損失が大きくなります。サンプルの総放射線効率が測定され、結果が図 3G に示されています。金属アンテナは、測定装置からの寄生反射により結果が変動したいくつかの点を除いて、帯域内のすべての周波数で同等のアンテナよりも優れています。

実験的なデータ表現。 (A) PCB ベース、(B) GPLA 基板、(C) 自立型金属アンテナの比較。 (D – F) アンラップされた放射パターンのカラーマップ (線形スケール)。横軸と縦軸 - それぞれ角度と周波数の依存性。受信エネルギーは線形スケール、任意の単位で表されます。 (G) 周波数の関数としての放射効率。 PCB ベースのアンテナ - オレンジ色の線、GPLA ベースのアンテナ - 緑色、金属アンテナ - 紫色。 (H) 電波暗室での実験装置の写真。

新しいシンプルで低コストの金属印刷アプローチが開発され、積層造形電磁デバイスの分野におけるその利点が実証されました。私たちの方法は、スケルトンの FDM 印刷と、それに続く一連の比較的単純な後処理操作に基づいています。このプロセスは次の 5 つのステップで要約されます: (i) 導電性ポリマーによる骨格の 3D プリント、(ii) 平滑性を向上させるための表面処理、(iii) 骨格への補助電極の配置、(iv) 電気めっき、および (v) ) スケルトンの除去。このプロセスの結果として、自立型の金属構造が得られます。基板除去の利点が数値的および経験的に分析され、アンテナ特性が大幅に改善されることが実証されました。特に、高周波損失は、導電性ポリマー骨格が存在するサンプルと比較して桁違いに減少しました。この違いは、導電性ポリマーの性能が低下する高周波でより顕著になります。さらに、当社の新しい印刷プロセスで製造された自立型金属アンテナは、標準的な PCB ベースの実現よりも優れた性能を発揮することが示されましたが、FR4 基板を使用している場合には、5 GHz を超える周波数での損失も発生します。

私たちの新しい方法は、性能の点で、例えばレーザー焼結に基づく直接金属印刷に匹敵できないことは明らかですが、非常に低コストで十分な解決策を提供できます。製造された構造は、溶融ポリマーが流出できるように開いた形状でなければならないことは注目に値します。この技術がさらに進歩すると、より複雑な形状を作成できるようになり、電磁応用における利点が明らかになる可能性があります。さらに、受動素子と能動素子の両方の電子回路を 3D プリントする取り組みも数多く行われています。この機能が開発されると、アンテナと調整可能な電子機器の積層造形が可能になります。この場合、全体の製造コストが大幅に低下する可能性があるため、RF デバイスの積層造形が最初の選択肢となる可能性があります。

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この研究は、連邦学術リーダーシッププログラム「Priority 2030」とイスラエル科学技術省（プロジェクト「メタマテリアルとアンテナを備えたバッテリーの統合2Dおよび3D機能プリンティング」）の一部支援を受けた。著者らは、議論に協力してくれたテルアビブ大学の Yosi Shacham-Diamand 教授に感謝します。

フォトニクスおよび 2D 材料センター、モスクワ物理工科大学、ドルゴプルドニ、ロシア、141700

ウラジミール・D・ブルツェフ、タチアナ・S・ヴォシェワ、ドミトリー・S・フィロノフ

テレコム R&D センター、モスクワ物理工科大学、ドルゴプルドニ、ロシア、141700

アントン・A・クーディキン

テルアビブ大学電気工学部、69978、テルアビブ、イスラエル

パベル・ギンツブルグ

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VB と PG は主要な原稿テキストを執筆し、文献レビューを実施しました。 VB、PG、DF を用意しました。 VB、TV、AK は数値シミュレーションを実施しました。 PG と DF は理論的な前提条件を特定し、監督を実施しました。著者全員が原稿をレビューしました。

ウラジミール・D・ブルツェフへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Burtsev、VD、Vosheva、TS、Khudykin、AA 他。プラスチックスケルトンの焼成によるシンプルで低コストの 3D メタルプリント。 Sci Rep 12、7963 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-11430-2

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受信日: 2022 年 2 月 3 日

受理日: 2022 年 4 月 13 日

公開日: 2022 年 5 月 13 日

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

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