3D-printere åbner nyt designrum til trådløse enheder

Forskere ved Duke University har 3D-trykte potente elektromagnetiske metamaterialer, ved hjælp af et elektrisk ledende materiale, der er kompatibelt med en standard 3D-printer.

Demonstrationen kan revolutionere det hurtige design og prototyping af radiofrekvensapplikationer såsom Bluetooth, Trådløst internet, trådløse sensorer og kommunikationsenheder.

Metamaterialer er syntetiske materialer sammensat af mange individuelle, konstruerede enheder kaldet celler, der tilsammen producerer egenskaber, der ikke findes i naturen. Når en elektromagnetisk bølge bevæger sig gennem metamaterialet, hver manipuleret celle manipulerer bølgen på en bestemt måde for at diktere, hvordan bølgen opfører sig som en helhed.

Metamaterialer kan skræddersyes til at have unaturlige egenskaber såsom at bøje lys bagud, fokusere elektromagnetiske bølger på flere områder og perfekt absorbere specifikke bølgelængder af lys. Men tidligere indsats har været begrænset til 2-D printkort, begrænser deres effektivitet og evner og gør deres fremstilling vanskelig.

I et nyt papir, der vises online i tidsskriftet Anvendt fysik bogstaver , Duke materiale videnskabsmænd og kemikere har vist en måde at bringe elektromagnetiske metamaterialer ind i den tredje dimension ved hjælp af almindelige 3-D printere.

"Der er mange komplicerede 3D-metamaterialestrukturer, som folk har forestillet sig, designet og lavet i små tal for at bevise, at de kunne fungere, "sagde Steve Cummer, professor i el- og computerteknik ved Duke. "Udfordringen ved at overgå til disse mere komplicerede designs har været fremstillingsprocessen. Med evnen til at gøre dette på en almindelig 3D-printer, alle kan bygge og teste en potentiel prototype på få timer med relativt få omkostninger. "

Nøglen til at gøre 3D-trykte elektromagnetiske metamaterialer til virkelighed var at finde det rigtige ledende materiale til at køre gennem en kommerciel 3D-printer. Sådanne printere bruger normalt plast, som typisk er forfærdelige til at lede strøm.

Selvom der er et par kommercielt tilgængelige løsninger, der blander metaller med plasten, ingen er ledende nok til at skabe levedygtige elektromagnetiske metamaterialer. Mens der findes 3D-printere i metal, de koster så meget som $1 million og fylder et helt værelse.

Det er her Benjamin Wiley, Duke lektor i kemi, kom ind.

"Vores gruppe er rigtig god til at lave ledende materialer, "sagde Wiley, som har udforsket disse materialer i næsten et årti. "Vi så dette hul og indså, at der var et stort uudforsket rum, der skulle udfyldes, og troede, at vi havde erfaring og viden til at give det et skud."

Wiley og Shengrong Ye, en postdoktor i sin gruppe, skabt et 3D-printbart materiale, der er 100 gange mere ledende end noget på markedet i øjeblikket. Materialet sælges i øjeblikket under mærket Electrifi af Multi3D LLC, en opstart grundlagt af Wiley og Ye. Selvom det stadig ikke er nær så ledende som almindeligt kobber, Cummer mente, at det måske lige var ledende nok til at skabe et 3-D-printet elektromagnetisk metamateriale.

I avisen, Cummer og ph.d.-studerende Abel Yangbo Xie viser, at Electrifi ikke kun er ledende nok, det interagerer med radiobølger næsten lige så stærkt som traditionelle metamaterialer lavet af rent kobber. Den lille forskel gøres let op af de trykte metamaterialers 3D-geometri-resultaterne viser, at de 3D-trykte metamaterialeterninger interagerer med elektromagnetiske bølger 14 gange bedre end deres 2-D-modstykker.

Ved at udskrive mange terninger, hver skræddersyet til specifikt at interagere med en elektromagnetisk bølge på en bestemt måde, og kombinere dem som Lego byggeklodser, forskere kan begynde at bygge nye enheder. For at enhederne fungerer imidlertid, de elektromagnetiske bølger skal have nogenlunde samme størrelse som de enkelte blokke. Selvom dette udelukker det synlige spektrum, infrarød og røntgenstråler, det efterlader et stort designrum i radiobølger og mikrobølger.

"Vi begynder nu at blive mere aggressive med vores metamaterialedesign for at se, hvor meget kompleksitet vi kan bygge, og hvor meget der kan forbedre ydeevnen, "sagde Cummer." Mange tidligere designs var komplicerede at lave i store prøver. Du kunne gøre det for en videnskabelig artikel engang bare for at vise, at det fungerede, men du vil aldrig gøre det igen. Dette gør det meget lettere. Alt er på bordet nu."

"Vi tror, ​​at dette kan ændre, hvordan radiofrekvensindustrien prototyper nye enheder på samme måde som 3D-printere ændrede plastbaserede designs, "sagde Wiley." Når du kan aflevere dine designs til andre mennesker eller nøjagtigt kopiere, hvad en anden har gjort på få timer, det fremskynder virkelig designprocessen. "