Home Forschung & Bildung US Navy Research Lab druckt funktionale, leichte zylindrische Antennen-Arrays

US Navy Research Lab druckt funktionale, leichte zylindrische Antennen-Arrays

Ingenieure des US Navy Research Laboratory (NRL) haben einen 3D-Drucker eingesetzt, um optimierte Antennenkomponenten herzustellen, die für die Weiterentwicklung der Radarüberwachung der US Navy entscheidend sein könnten.

Das geringe Gewicht und die schnelle Produktion von 3D-gedruckten Teilen machen sie zu einer attraktiven Alternative zur traditionellen Fertigung, die oft teure Materialien und spezielle Ausrüstung erfordert.

“Der 3D-Druck ist eine Möglichkeit, schnelle Prototypen zu produzieren und sehr schnell und mit minimalen Kosten mehrere Design-Versionen zu durchlaufen”, erklärt die NRL-Elektroingenieurin Anna Stumme. “Das geringe Gewicht der gedruckten Teile erlaubt es uns auch, die Technologie in neue Anwendungen zu bringen, wo das schwere Gewicht von massiven Metallteilen uns früher eingeschränkt hat.”

Radarsysteme erfüllen kritische Funktionen für die Marine und bleiben ein wichtiger Bestandteil der maritimen Navigation und der nationalen Verteidigung. Teile für Antennen und Arrays, d. h. mehrere miteinander verbundene Antennen, die als eine Einheit zusammenarbeiten, können unerwartet brechen oder verschleißen und müssen ersetzt werden. Traditionell werden die Teile bestellt oder aufwändig aus Metall gefertigt, was manchmal Wochen dauert. 3D-gedruckte Radarteile, wie z. B. ein zylindrisches Array, das eine 360-Grad-Sichtbarkeit bietet, können aufgrund der reduzierten Bearbeitungs- und Montagezeit innerhalb von Stunden hergestellt werden, im Gegensatz zu mehreren Tagen bei herkömmlichen Methoden.

Zusätzlich zu den Vorteilen bei der Produktion ermöglichen die relativ geringen Kosten von 3D-Druckmaterialien den Forschern, mehrere Versionen von Teilen mit minimalem Aufwand zu testen. Die optimierten Prototypen können dann mit herkömmlichen Methoden bearbeitet werden. Sobald ein Prototyp erfolgreich hergestellt wurde, egal ob 3D-gedruckt oder traditionell gefertigt, muss er strengen Tests unterzogen werden, bevor er in der Praxis eingesetzt werden kann.

Anfang 2019 reichte Stumme eine Arbeit ein, in der sie 3D-gedruckte Teile mit traditionell hergestellten Teilen auf dem Antenna Applications Symposium verglich. Sie gewann den Student Paper Contest für ihre Forschung.

Neue Anwendungen

Stumme und ihre Kollegen untersuchen, wie gewichts- und größenbeschränkte Anwendungen, wie unbemannte Flugzeuge oder kleine Schiffe, von 3D-gedruckten Teilen profitieren können. Viele der 3D-Prototypen werden aus leichtem Nylon in der NRL-Forschungseinrichtung Laboratory for Autonomous Systems gedruckt. Sobald das Teil gedruckt ist, wird es einem Prozess unterzogen, der Galvanisierung genannt wird.

Während des Galvanisierungsprozesses wird eine dünne Metallschicht auf das gedruckte Teil aufgetragen. Die Galvanisierung sorgt für eine leitfähige Oberfläche, damit das Gerät wie vorgesehen strahlen kann; etwas, das mit Kunststoff allein nicht machbar ist. Das Ergebnis ist ein leichtgewichtiger Prototyp, der dann auf eine Vielzahl von Eigenschaften, wie z. B. die Oberflächenrauhigkeit, untersucht werden kann – ein wichtiger Faktor für die Funktionalität von Antennenelementen.

Stumme arbeitet mit NRL-Materialwissenschaftlern aus dem gesamten NRL zusammen, die die kritische Charakterisierung der Oberflächenrauhigkeit durchführen. Die Oberflächenrauhigkeitscharakterisierung liefert eine Beurteilung der Beschichtung einer Antenne und des Einflusses, den die Rauheit auf ihre Leistung hat.

“Die Oberflächenrauheit ist für Wellenleiter und Antennen wichtig, weil sie Streuverluste verursachen und zu einer weniger effizienten Antenne führen kann”, erklärt Nick Charipar, Leiter der Sektion Applied Materials and Systems. “Antennen strahlen Wellen ab und empfangen sie. Wenn eine Welle also an einer rauen Oberfläche entlangläuft, wird sie verzerrt und die Energie geht möglicherweise nicht dorthin, wo man sie haben möchte.”

Charipar und sein Team, das zur Material Science & Technology Division des NRL gehört, erstellen Prototypen von 3D-gedruckten Teilen für die Radarabteilung des NRL. Sobald das Teil erstellt ist, untersuchen die Forscher, wie sich die Materialeigenschaften auf die Funktionalität des Radars auswirken. Jeder 3D-Drucker hat einzigartige Eigenschaften, die die Produktleistung verändern können. Wenn es den Forschern gelingt, die optimalen Parameter für bestimmte 3D-gedruckte Teile herauszufinden, könnten nach Meinung von Stumme und ihren Kollegen Schiffe, welche die Teile benötigen mit 3D-Drucker, überall auf der Welt unabhängig werden.

Nächste Schritte

Noch in diesem Jahr planen Stumme und ihre Kollegen, neue Prototypen zylindrischer Array-Blenden für ein X-Band-Überwachungsradar in einer Laborumgebung zu konstruieren und testen. Das X-Band-Überwachungsradar ist so konzipiert, dass es die Umgebung einer bestimmten Plattform, z. B. eines Schiffes, absucht. Sie untersuchen die Integration von zylindrischen Arrays in die Masten kleinerer Schiffe unter Verwendung von Mikrowellenphotonik und optischen Fasern.

Die Verwendung von Glasfasern reduziert die Anzahl der Komponenten, die am Mast eines Marineschiffs benötigt werden, was die Wärme- und Gewichtsbeschränkungen weiter verringert. Bei der Demonstration werden traditionell gefertigte und 3D-gedruckte Versionen des Arrays getestet, um die Leistung zu vergleichen. Stumme hat beide Versionen entworfen.

Im Jahr 2021 soll das Team den Prototyp im Feld testen. Die Demonstration wird das letzte Jahr ihrer vierjährigen Bemühungen sein, das Array praktischer für den Einsatz auf kleineren Plattformen zu machen und zu zeigen, wie man Arrays einfach mit optischen Fasern verwenden kann. Die Finanzierung der Forschung wird durch NRL-Grundfinanzierung bereitgestellt.

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