VIDEO: 3D-printani elektromagnetski uređaji: Hoće li doista biti mogući?

'Medijski članci o 'potpuno 3D-printanoj elektronici' (poput članka o '3D-printanoj elektronici bez poluvodiča') često zvuče revolucionarno, ali pojedine tvrdnje stvaraju nerealna očekivanja, poput ideje da bi vodljivi plastični materijali mogli zamijeniti silicijske čipove. Većina takvih 'printanih prekidača' zapravo djeluje na otpornom ili toplinskom principu, pa se ponašaju više kao osigurači nego kao pravi tranzistori sposobni za pojačavanje ili obradu signala', istaknuo je Luca Catarinucci s Odjela za inženjerstvo inovacija Sveučilišta u Salentu (Lecce, Italija).

Stoga je objavio istraživanje koje donosi realniji pogled - na platformi Replica. Naime, pokazuje što je zaista moguće već danas - antene, rezonatori i RFID oznake koji se mogu u potpunosti izraditi 3D tiskom, koristeći komercijalne ili posebno razvijene materijale. Takav pristup omogućuje manje, fleksibilnije i prilagodljivije uređaje, s oblicima koje tradicionalne metode izrade ne mogu postići.

Zašto i kako?

'Motivacija iza ovog rada proizlazi iz želje da se razviju brze, pristupačne i prilagodljive elektromagnetske komponente za IoT, senzorske i nosive uređaje.

3D tisak uklanja mnoge ograničavajuće korake konvencionalne elektronike poput lemljenja, višeslojnih pločica ili metalizacije, omogućujući da se čitav uređaj ispisuje u jednom procesu. Cilj nije zamijeniti silicijske poluvodiče, nego redefinirati način na koji se proizvode elektromagnetski dijelovi koji omogućuju bežičnu komunikaciju.

Drugim riječima, dok senzacionalistički naslovi govore o 'elektronici bez čipova', stvarna revolucija događa se u elektromagnetici, u spoju naprednih materijala i 3D tiska koji već danas stvaraju funkcionalne, pristupačne i potpuno nove oblike uređaja.

U istraživanju su kombinirane dielektrična i vodljiva karakterizacija 3D-tiskanih materijala (korištenjem rezonantnih tehnika i RF mjerenja) s elektromagnetskim simulacijama i potpunim prototipiranjem putem FDM tehnologije. Antene, rezonatori i RFID oznake dizajnirani su, isprintani i eksperimentalno testirani kako bi se potvrdile njihove performanse u stvarnim radnim uvjetima', pojasnio je znanstvenik. 

3D tisak i novi pogled na elektromagnetske uređaje

3D tisak, nekad samo alat za izradu prototipova, danas, istaknuo je, sve više mijenja način na koji nastaju antene, RFID oznake i senzori. Umjesto da služi kao potpora, materijal se može oblikovati u funkcionalni dio samog uređaja. To otvara pitanje: može li se elektromagnetski uređaj u potpunosti izraditi 3D tiskom?

'Najnovija istraživanja pokazuju da je to sve bliže stvarnosti. Komercijalni i posebno razvijeni filamenti omogućuju izradu manjih, fleksibilnih i jeftinijih antena, a 3D tisak donosi slobodu stvaranja oblika koji su klasičnim tehnikama bili nemogući.

U javnosti se ponekad spominje '3D-printana elektronika bez poluvodiča', no takve tvrdnje često pretjeruju. Vodljivi polimeri još ne mogu zamijeniti silicij jer većina 'tiskanih sklopki' radi na toplinskom ili otpornom principu, više kao osigurači nego pravi tranzistori.

Prava snaga 3D tiska zasad je u elektromagnetici, gdje omogućuje nove generacije antena i rezonatora koji rade u stvarnim uvjetima. Osim toga, 3D tisak uvodi i treću dimenziju u dizajn, otvarajući put kompaktnijim oblicima i naprednijim načinima usmjeravanja signala', obrazložio je Catarinucci.

Materijali koji 'nose' 3D-printane antene

Naveo je kako je prvi korak bio provjeriti mogu li se uobičajeni 3D filamenti koristiti za izradu antena i drugih RF dijelova. Iako su materijali poput PLA-a i ABS-a namijenjeni mehaničkoj čvrstoći, pokazalo se, dodao je, da imaju dovoljno dobra električna svojstva za osnovne bežične prototipove.

'Testovi su pokazali da antene tiskane od PLA-a mogu raditi jednako dobro, pa čak i bolje, od klasičnih izvedbi na PCB pločicama. Primjer je 3D-printana antena za RFID čitač, koja je imala jednostavniju i kompaktniju strukturu, ali bolji domet.

Izrađena je i nosiva RFID narukvicu u potpunosti izrađenu tiskom, s ugrađenim ležištem za čip i vertikalnim spojnicama između slojeva. Takav dizajn teško je ostvariti klasičnim metodama, što pokazuje koliko 3D tisak širi mogućnosti oblikovanja.

Ipak, postoje ograničenja - tiskani su materijali još uvijek pretežno kruti i imaju ograničenu sposobnost 'zadržavanja' elektromagnetskog polja. Sljedeći izazov zato je razvoj fleksibilnijih i učinkovitijih materijala koji će omogućiti manje, tanje i ugodnije 3D-printane antene', iznio je. 

Poboljšavanje materijala za 3D-printane antene

Nakon početnih uspjeha s običnim PLA i ABS filamentima - naglasio je - postalo je jasno da su njihova svojstva ograničena, dovoljno dobra za osnovne antene, ali nedovoljna za manje, fleksibilne i učinkovitije uređaje. Zato su razvijeni posebni materijale prilagođene radiofrekvencijskim primjenama.

'Korištena su dva pristupa. Prvi uključuje miješanje silikonske gume s česticama barijeva titanata, čime se dobiva mekan, ali elektromagnetski 'pojačan' materijal. Na taj je način nastala, primjerice, nosiva RFID narukvica u kojoj je antena potpuno ugrađena u silikonsko tijelo - fleksibilna, udobna i funkcionalna.

Drugi pristup bio je stvaranje novih filamenata u koje su već dodane keramičke čestice. Takvi se filamenti mogu tiskati običnim 3D pisačima, ali imaju dvostruko bolju sposobnost zadržavanja elektromagnetskog polja od standardnog PLA-a. To znači da antene mogu biti manje i učinkovitije.

Primjenom ovih materijala postignuto je smanjenje veličine antena i do 60 %, bez gubitka performansi. Ovi rezultati pokazuju da kombinacija 3D tiska i posebno formuliranih materijala otvara put prema novim oblicima antena, uključujući napredne dielektrične rezonatorske antene (DRA) - prirodan sljedeći korak u razvoju 3D-printanih elektromagnetskih uređaja', naznačio je. 

Dielektrične rezonatorske antene - idealne za 3D tisak

Jedna su od najzanimljivijih primjena novih 3D-printanih materijala s visokom 'električnom gustoćom' dielektrične rezonatorske antene (DRA). Za razliku od klasičnih antena koje koriste metalne vodove, DRA antene zrače, obrazložio je, zahvaljujući polju koje se stvara unutar samog materijala pa im treba vrlo malo metala. To ih čini učinkovitima i kompaktnima, posebno na višim frekvencijama.

'Prije su se izrađivale od skupih keramičkih blokova jednostavnih oblika, što je ograničavalo dizajn i performanse. 3D tisak to mijenja - uz filamente visoke permitivnosti antene se mogu oblikovati u složenije i preciznije strukture, s većom kontrolom nad signalom i zračenjem.

U jednom prototipu, korišten je PLA filament s dodatkom barijeva titanata, što je omogućilo kompaktnu, laganu i jeftinu DRA antenu koja zadržava izvrsne performanse u odnosu na keramičke verzije.

Posebno su zanimljiv koncept 'fluidne antene', u kojima rezonator čini tekućina visoke permitivnosti - poput deionizirane vode - zatvorena u 3D-printanu posudu. Takve antene mogu mijenjati svoj oblik i karakteristike pomicanjem tekućine, što otvara mogućnost dinamičkog podešavanja signala.

DRA antene tako najbolje pokazuju prednosti 3D tiska u elektromagnetici: spajanje naprednih materijala i slobode oblikovanja u uređaje koji su prije bili teško izvedivi - a danas ih je moguće jednostavno ispisati', navodi se u ovom znanstvenom radu. 

Prema potpuno 3D-printanim uređajima: vodljivi dijelovi i antene

Sljedeći korak bio je pokušaj zamjene metalnih dijelova samim 3D ispisom. Umjesto da se antene naknadno metaliziraju ili leme, isprobana je mogućnost da se vodljivi slojevi ispišu izravno s ostatkom uređaja. 

'Koristili smo filament Electrifi, koji sadrži sitne čestice bakra u polimernoj matrici. Iako njegova vodljivost još ne doseže razinu čistog metala, pokazala se dovoljnom za niskosnažne antene i RFID uređaje.

Kako bismo to potvrdili, izradili smo RFID oznaku u potpunosti 3D tiskom, uključujući i vodljive putanje. Čip je umetnut u poseban utor tijekom ispisa, a vodljivi sloj ispisan oko njega, bez ikakvog lemljenja ili dodatne montaže. Uređaj je radio stabilno, s dometom od oko 3 metra - kraće od bakrene verzije, ali je potvrđena izvedivost jednofazne izrade.

Ovakav pristup pokazuje koliko 3D tisak može pojednostaviti proizvodnju. Umjesto niza koraka poput graviranja, lemljenja i sklapanja, cijeli se uređaj može ispisati odjednom. To otvara mogućnost novih formata i oblika uređaja, osobito za IoT, senzore i nosive tehnologije, gdje je važnija prilagodljivost od maksimalne učinkovitosti.

Iako današnji vodljivi filamenti još imaju ograničenu vodljivost, razvoj napreduje, a hibridni pristupi - u kojima se samo složeni dijelovi ispisuju, a ostatak ostaje metalan - postaju sve izgledniji. Sve to pokazuje da 3D tisak više nije samo alat za prototipove, već tehnologija koja mijenja način na koji zamišljamo i izrađujemo elektromagnetske uređaje', konstatirao je Catarinucci. 

Zaključak

Na početku su se znanstvenici pitali: može li se elektromagnetski uređaj, poput antene, u potpunosti izraditi 3D tiskom? Njihovi rezultati pokazuju da je odgovor - da, barem djelomično. Uz pažljiv odabir materijala i optimiziran dizajn, 3D tiskom danas je moguće napraviti antene, rezonatore i RFID oznake koje stvarno rade u radijskim (RF) uvjetima.

'Tijekom nekoliko godina prošli smo put od jednostavnih testova s komercijalnim filamentima do razvoja posebnih dielektričnih i vodljivih materijala koji omogućuju fleksibilnost, minijaturizaciju i jedinstvene oblike. Time je 3D tisak iz uloge alata za brze prototipe prerastao u stvarnu tehnologiju za izradu funkcionalnih elektromagnetskih uređaja.

No važno je zadržati realnu perspektivu. Dok popularni članci često tvrde da će 3D tisak uskoro 'zamijeniti elektroniku', to jednostavno nije točno. Većina navodnih 'printanih prekidača' ne funkcionira kao pravi tranzistori - oni rade na otpornom ili toplinskom principu, što ih čini više sličnima osiguračima nego elektroničkim komponentama. Takvi eksperimenti potiču maštu, ali granica između inspiracije i stvarne tehnologije mora biti jasna.

U praksi, 3D tiskanje već sada mijenja elektromagnetiku: omogućuje složene oblike, kombiniranje više materijala i brzu prilagodbu uređaja specifičnim potrebama. Međutim, zamjena silicijskih poluvodiča još je daleko. Da bi to postalo moguće, potrebno je poboljšati vodljivost materijala, stabilnost i preciznost ispisa, te osigurati dugoročnu pouzdanost spojeva.

Unatoč tim izazovima, smjer je jasan. Svaka nova generacija materijala i pisača pomiče granice, a razlika između laboratorija i stvarne primjene sve se više smanjuje.

3D tisak možda još ne gradi 'elektroniku bez poluvodiča', ali već danas gradi temelje nove ere elektromagnetskih uređaja, pristupačnih, prilagodljivih i doslovno ispisanih prema potrebi', zaključio je. 

REPLICAje digitalna platforma posvećena provjeri točnosti informacija u specijaliziranim područjima energije i računarstva. Platforma pruža neovisnu, znanstveno utemeljenu analizu medijskih informacija kako bi se smanjila prisutnost dezinformacija u javnom prostoru, uključujući medije i društvene mreže. Cilj je projekta - na čijem je čelu izv. prof. dr. sc. Petar Šolić sa splitskog FESB-a - jačanje otpornosti društva na dezinformacije u ključnim tehnološkim područjima, nudeći stručne recenzije i objašnjenja temeljena na dokazima iz stručnih i znanstvenih izvora.

@dalmatinskiportal

original sound - Dalmatinski portal