Circuiti elettronici a microonde realizzati tramite stampante 3D a basso costo e filamento di plastica


Nell’industria elettronica , la stampa 3D è stata utilizzata per fabbricare sensori , elettronica estensibile ed elettronica conforme e per realizzare dispositivi a guida d’onda e antenne per dispositivi a microonde. Questo perché la tecnologia può essere utilizzata per progettare substrati dielettrici per applicazioni specifiche e dispositivi multistrato con diversi strati dielettrici, lavorando con un’ampia varietà di materiali a densità diverse.

A spingersi oltre è un team di ricercatori dell’Università Miguel Hernández di Elche in Spagna, che ha pubblicato uno studio, ” Tecniche di produzione additiva a basso costo applicate alla progettazione di circuiti a microonde planari mediante modellazione a deposizione fusa “. Il documento descrive in dettaglio il loro lavoro utilizzando una stampante 3D FDM poco costosa e filamenti a base di plastica per produrre e implementare circuiti elettronici a microonde.

“Poiché tutti i filamenti commerciali disponibili per questo tipo di stampante 3D non sono destinati all’implementazione di dispositivi a microonde, è necessario ottenere i parametri elettrici di ciascun materiale (costante dielettrica e tangente di perdita). Inoltre, poiché FDM non consente la stampa di materiali metallici e i filamenti conduttivi attualmente disponibili non hanno un’elevata conducibilità, per i circuiti a microonde è necessario sviluppare una tecnica per la metallizzazione delle parti di stampa 3D, utilizzando lastre di rame attaccate direttamente al substrato , come avviene con i substrati convenzionali ad alta frequenza “, hanno scritto i ricercatori. “Inoltre, a causa del processo di fabbricazione del circuito, che comprende, da un lato, la fabbricazione di un substrato basato su una struttura a strati di plastica pseudo-termofusa, e dall’altro,

Stampante 3D Hephestos Prusa i3 BQ utilizzata in questo lavoro.

Il team ha scelto una stampante 3D Prusa i3 Hephestos a basso costo per questo studio, che utilizza la tecnologia di modellazione a deposizione fusa (FDM) basata sull’estrusione. Il software Cura è stato utilizzato per regolare i vari parametri di stampa 3D, di seguito, per tutti i materiali utilizzati.

I ricercatori hanno analizzato molti filamenti standard di 1,75 mm di diametro per “ottenere proprietà elettriche diverse per la progettazione di circuiti a microonde” e hanno scelto questi da utilizzare nello studio:

PLA della RepRap tedesca: polimero costituito da molecole di acido lattico
ABS da Fillamentum: termoplastico amorfo resistente agli urti
Iglidur I180-PF (Tribo) di Igus: resistente all’attrito, buona risposta alla degradazione dell’usura
ASA di Fillamentum: termoplastica resistente ai raggi UV e all’acqua
Acciaio inossidabile PLA di Protopasta: realizzato in PLA e filamento macinato da acciaio inossidabile polverizzato
Filamento Laybrick di CC-PRODUCTS: realizzato in arenaria, offre una finitura superficiale simile alla ceramica o alla pietra
Filamento di nylon 230 di Taulman: poliammide sintetica
Filamento LayWoo-D3 di CC-PRODUCTS: realizzato con fibre di legno e PLA, offre una finitura superficiale simile al legno
Filamento Smartfil EP di Fillamentum: realizzato in PLA e carbonato di calcio, offre una finitura superficiale simile al calcare
Come puoi vedere di seguito, i fogli che formano i substrati del circuito a microonde stampati in 3D possono essere classificati come uno strato esterno o uno strato interno. Poiché la rigidità meccanica del substrato può essere influenzata dallo spessore degli strati esterni, il team afferma che “dovrebbero essere solidi con una percentuale di densità del motivo di riempimento del 100%” e fabbricati in uno schema rettilineo per ridurre la rugosità della superficie ed evitare la porosità. Tuttavia, non importa quale densità o motivo di riempimento viene utilizzato per gli strati interni.

(a) Struttura degli strati stampati dei substrati. (b) Modello di stampa lineare di materiale 3D con diverse densità di riempimento, 100%, 50% e 15%.

Il substrato stampato in 3D è stato metallizzato attaccando due fogli di rame da 35 µm pressati idraulicamente, utilizzando la colla epossidica 2216 B / A GRIGIA non conduttiva, su ciascun lato. I ricercatori hanno costruito i circuiti a microonde con una fresatrice a controllo numerico Protomat S42 della LPKF e una volta che la colla ha solidificato il rame sul substrato, può essere utilizzata.

(a) Processo di fabbricazione del circuito stampato. (b) Struttura del circuito stampato dei diversi materiali.

Eventuali errori di fabbricazione, come bolle e vuoti tra gli strati, una mancanza di omogeneità negli strati o troppo adesivo, potrebbero causare un potenziale fallimento dell’integrità strutturale e delle prestazioni del circuito stampato in 3D. Quindi, al fine di “verificare la corretta metallizzazione e fabbricazione del substrato”, il team ha utilizzato tecniche non distruttive ad ultrasuoni veloci e accurate ma poco costose per condurre un’analisi strutturale e si è rivolto alle tecniche di analisi nel dominio del tempo e della frequenza delle scansioni C del circuito per vedere se c’erano problemi strutturali o difetti.

(a) Configurazione per le misurazioni della permittività dielettrica e della tangente di perdita. (b) Risonatore e linea di trasmissione su diversi materiali: ABS, PLA e ASA. (c) Caratteristiche elettriche calcolate per diversi substrati.

Inoltre, i ricercatori hanno caratterizzato le proprietà elettriche di ciascun filamento nell’intervallo di frequenza delle microonde e hanno implementato filtri a microonde standard e nuovi nella tecnologia a microstriscia e stripline.

(a) Risonatore e linea di trasmissione per PLA con densità del 70%, 50% e 15%. (b) Caratteristiche elettriche per diverse densità di riempimento del substrato in PLA.

Infine, il team ha progettato e fabbricato semplici circuiti a microonde planari in una prova di concetto per dimostrare quanto sia fattibile utilizzare la stampa 3D per questa applicazione.

“I dispositivi progettati sono stati prodotti e misurati con buoni risultati, il che dimostra la possibilità di utilizzare stampanti 3D a basso costo nel processo di progettazione di circuiti a microonde planari”, hanno scritto.

Da sinistra a destra, dall’alto in basso: strati successivi all’interno del circuito a passi di 150 µm circa.

Seguendo la metodologia di questo team, altri ricercatori potrebbero imparare ad aggiungere strutture di circuiti a microonde più complesse al loro lavoro, inclusa la progettazione di filtri in guida d’onda “per mezzo di strutture periodiche in cui le tecniche additive consentono la progettazione delle sezioni della guida d’onda per ottenere una maggiore larghezza di banda di reiezione”, e dove la corretta configurazione della stampante 3D consente la progettazione di un “fattore di accoppiamento delle diverse sezioni del filtro”.

(a) Filtro di impedenza a gradini prodotto con densità del 100%. (b) Risposta misurata e simulata del filtro di impedenza a gradini con un substrato di densità del 100%.

“L’analisi strutturale ad ultrasuoni ha dimostrato l’affidabilità del processo di produzione. Infine, per verificare le diverse possibilità offerte dal processo di produzione additiva presentato, sono stati implementati diversi filtri di impedenza a gradini semplici e complessi nella tecnologia microstrip e stripline. Sono stati ottenuti buoni risultati in entrambe le tecnologie, con prestazioni migliori quando vengono utilizzate possibilità additive, come densità di substrato diverse, quindi si può concludere che le tecniche di produzione additiva offrono ampie possibilità nella progettazione di circuiti a microonde planari “, hanno concluso i ricercatori.

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