Kurzfassung des Abschlussberichts des Forschungsprojekts MiniHelix (21241 N)
„Miniaturisierung von Helixantennen für HF-Anwendungen durch additive Fertigungsverfahren und 3D-Funktionalisierung (MiniHelix)“
Kurzbeschreibung des Projektinhaltes
Für eine erfolgreiche Umsetzung von „Industrie 4.0“ Konzepten ist es unerlässlich, die Entwicklung von breitbandigeren Telekommunikationsnetzen voranzutreiben. Mit dem Internet der Dinge steigt die Anzahl an vernetzten Geräten, die große Datenmengen auch mobil übertragen. Aufgrund der steigenden Datenmenge und steigenden Nachfrage nach höheren Datenraten gewinnt die Hochfrequenztechnik in immer mehr Anwendungsbereichen an Bedeutung. Der Einsatz neuer innovativer Fertigungsverfahren stellt einen vielsprechenden Ansatz dar, den steigenden Anforderungen auch in Zukunft zu begegnen, da sie -im Gegensatz zur herkömmlichen Leiterplattenfertigung- eine hohe räumliche Gestaltungsfreiheit bei gleichzeitig geringerem Montageaufwand, die Ausnutzung eines breiten Substratmaterialspektrums sowie die Herstellung von Metallisierungen mit hoher Oberflächenqualität ermöglichen.
Der klassische Aufbau von Helixantennen aus gewickelten Drähten stößt für höhere Frequenzen und damit kleineren Strukturgrößen an seine Grenzen. In diesem Forschungsprojekt sollen Metallisierungsverfahren der MID-Technologie untersucht werden, die es ermöglichen, kostengünstig multifilare Helixantennen mit den notwendigen Abmessungen herzustellen. Folgende Fertigungsverfahren sollen eingesetzt und gegenübergestellt werden: Laserdirektstrukturierung, Dispensierverfahren, Inkjet, Aerosoljet und selektives Laserstrahlschmelzen. Für jede Technologie soll untersucht werden, in wie weit sich damit multifilare Antennenelemente miniaturisieren lassen, d.h. welcher Einsatzfrequenzbereich erreichbar ist. Unter Berücksichtigung der Fertigungskosten kann so ein Entwurfskatalog für die Herstellung der Einzelelemente in 3D-MID-Technologien erstellt werden.
Dokumentation der Ergebnisse und Erstellen von Entwurfsregeln
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es möglich ist, Helixantennen mit MID-Produktionstechnologien für die Hochfrequenztechnik herzustellen. Jedoch muss abgewägt werden, welche Technologie für den jeweiligen Frequenzbereich eingesetzt wird. Schon früh in der Projektphase wurde deutlich, dass sich die Herstellungsverfahren und die zur Verfügung stehenden Materialien nicht beliebig für alle angestrebten Frequenzbereiche kombinieren lassen.
Abbildung: Größenvergleich der gefertigten Helixantennen für die jeweiligen Frequenzbänder mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren; Quelle: FAU Erlangen-Nürnberg, Lehrstuhl für Hochfrequenztechnik (LHFT) & Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
In dieser Betrachtung erwies sich das selektive Laserschmelzen (SLM) mit dem heutigen Stand der Technik, als zu restriktiv in Bezug auf die Freiheitsgrade des Designs. Die größte Herausforderung besteht darin, dass die additiv gefertigten Strukturen während des Abkühlprozesses zu großen inneren, mechanischen Spannungen aufweisen, welche sich nach dem Abkühlen in Verformungen äußern. Des Weiteren ist die resultierende Oberfläche zu rau für die gewünschten Frequenzen.
Auch die Nanojet-Technologie hat sich für den Einsatz bei Frequenzen über 1-2 GHz als nicht praktikabel erwiesen. Dies liegt vor allem an der mangelnden Randschärfe aufgrund von Over-spray der gedruckten Strukturen. Hier kommt es zu einer starken Streuung der leitenden Partikel an der Oberfläche des zu beschichtenden Mediums. Diese Streuung bzw. die fehlende Kanten-schärfe führt dazu, dass die Feldlinienverteilung der elektromagnetischen Welle unregelmäßig ist und so Verluste entstehen.
Im Gegensatz dazu kann die Aerosoljet-Technologie diese Probleme minimiert. Allerdings ist die minimale Strukturgröße des eingesetzten Systems von 300 μm der limitierende Faktor für Anwendungen bei höheren Frequenzen. In den Versuchen, welche im Rahmen des Projekts durchgeführt worden sind, hat sich gezeigt, dass Frequenzen bis 28 GHz übertragen bzw. auch ab-strahlende Helixantennen realisiert werden können.
Die Laserdirektstrukturierung (LDS) ist ein weiteres Verfahren, das im Rahmen des Projekts untersucht wurde. In mehreren Versuchen konnten Leitungen zu strukturieren werden. Allerdings ist die Materialauswahl sehr begrenzt. So gab es nur zwei Materialien für den FDM-Druck und ein weiteres für das stereolithografische Druckverfahren. Alle drei getesteten erwiesen sich bei der elektrischen Charakterisierung als verlustreicher, als ihre Gegenstücke aus dem Spritzguss. Es zeichnet sich jedoch ab, dass die Entwicklung neuer LDS-fähiger Materialien diese Probleme lösen wird. Während der Projektlaufzeit konnten mit der LDS-Technologie auf additiv gefertigten Substraten Leitungen bis 18 GHz strukturiert und gemessen werden.
Der stereolithografische 3D-Druck (SLA) in Kombination mit einer vollflächigen Funktionalisierung erwies sich als vielversprechende Option für den Einsatz der additiven Technologie in der Hochfrequenztechnik bei Frequenzen über 28 GHz. Die höhere Strukturauflösung in Kombination mit der Wellenleitertechnologie ermöglicht es, feinere Helixstrukturen und Funktionsgruppen zu entwerfen, die entsprechend bei höheren Frequenzen eingesetzt werden können. Mögliche Grenzen sind durch die Wahl der Funktionalisierung und die feinere Strukturauflösung gegeben. Es sind jedoch bereits Antennen bis zum D-Band realisiert worden.
Wirtschaftliche Bedeutung der erzielten Forschungsergebnisse für KMU
Die wirtschaftliche Relevanz der erzielten Forschungsergebnisse ergibt sich zum einen aus der Diversität additiver Fertigungstechnologien sowie deren jeweiligen Vor- und Nachteile. Zudem erfordert die Herstellung funktionaler Komponenten meist eine sinnvolle Kombination verschiedener Systeme und bietet dabei mehrere Möglichkeiten mit unterschiedlichen Fertigungstoleranzen. Durch die Untersuchung der Tauglichkeit verschiedener Verfahren und insbesondere deren Kombination miteinander bietet dieses Projekt eine sinnvolle Bewertung und ermöglicht insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen, eine zielgerichtete Strategie zu wählen und Fehlversuche zu reduzieren.
Auf der anderen Seite können additive Herstellungsverfahren von KMUs insbesondere dazu genutzt werden, Kleinserien wirtschaftlich zu fertigen. In diesem Kontext bieten die gewonnenen Erkenntnisse den zusätzlichen Vorteil, dass die starke Flexibilität der Helixantenne hinsichtlich der Anpassung der Antennencharakteristika parametrisch untersucht wurde. Damit lassen sich anwendungsbedingte Abänderungen effizient implementieren.
Schließlich ermöglichen die Ergebnisse des Projekts für KMUs die Erschließung neuer, zukunftsorientierter Märkte wie Kommunikationstechnologien für Industry 4.0 und IoT, sowie Komponenten für bildgebende Radarsensoren, welche einen zentralen Bestandteil des autonomen Fahrens bilden. Zudem wird der Übergang zur additiven Herstellung über hybride Schaltungsträger – also einer Kombination aus konventionellen Leiterplatten mit räumlichen HF- Komponenten vereinfacht.
