Neue Designmöglichkeiten für drahtlose Kommunikationsgeräte mittels FDM-Verfahren

Forschern der Duke University ist es erstmals gelungen, elektromagnetische Metamaterialien mithilfe des Fused Deposition Modeling (FDM), auf Basis eines elektrisch leitfähigen Materials herzustellen.

Metamaterialien sind künstlich hergestellte Strukturen, deren Durchlässigkeit für elektrische und magnetische Felder von der in der Natur üblichen abweicht. Es können also Eigenschaften produziert werden, die nicht in der Natur vorkommen wie zum Beispiel ein negativer Brechungsindex. Realisiert wird dies durch periodisch angeordnete feine Mikrostrukturen (bestehend aus Zellen) die aus elektrisch oder magnetisch wirksamen Material bestehen. Ein prominentes Anwendungsbeispiel wird in diesem Paper vorgestellt, es handelt sich um die Entwicklung einer Methode zum Unsichtbarwerden.

Die meisten Bestrebungen in diesem Bereich beschränken sich allerdings auf 2D-Leiterplatten. Dadurch wird die Effektivität eingeschränkt und die Herstellung ist äußerst knifflig. Nun haben es erstmalig Forscher der Duke University ermöglicht, elektromagnetisches Metamaterial mit einem additiven Fertigungsverfahren herzustellen.

There are a lot of complicated 3-D metamaterial structures that people have imagined, designed and made in small numbers to prove they could work. The challenge in transitioning to these more complicated designs has been the manufacturing process. With the ability to do this on a common 3-D printer, anyone can build and test a potential prototype in a matter of hours with relatively little cost.” Berichtet Steve Cummer, Professor im Bereich “Electro and Computer Engineering” von der Duke University.

Die Problematik bestand zuerst in der Findung eines geeigneten leitfähigen Materials. Die meisten Materialien, die in Labordruckern verwendet werden, sind Kunststoffe. Allerdings besitzen Kunststoffe eine sehr schlechte elektrische Leitfähigkeit. Die andere Möglichkeit war es einen Metalldrucker zu besorgen, diese sind allerdings viel zu teuer und zu groß für einen Labormaßstab. Die Lösung bestand aus Material das von der Firma „Electrifi by Multi3D LLC“ verkauft wird. Dies ist ein Startup von Benjamin Wiley, einem Privatdozenten aus dem Fachbereich Chemie, und einem Postdoc, Shengrong Ye aus Wileys Arbeitsgruppe. Das Material, das die beiden entwickelt haben ist 10mal leitfähiger als alle anderen druckbaren Materialien auf dem Markt.

Durch dieses Material konnten Cummer und Abel Yangbo Xie zeigen, dass Electrifi mit Mikrowellen genauso interagierte, wie mit einem üblichen kupferbasiertem Metamaterial. Ein weiterer Vorteil lag in der Geometrie, es konnte gezeigt werden, dass damit eine 14mal bessere Interaktion mit elektromagnetischen Wellen erreicht wurde.

Ein neuer Ansatz besteht darin, einzelne Würfel zu drucken um diese dann wie Legosteine zusammenzusetzen. Somit könnten Forscher anfangen neuartige Geräte zu entwickeln.

“We’re now starting to get more aggressive with our metamaterial designs to see how much complexity we can build and how much that might improve performance. Many previous designs were complicated to make in large samples. You could do it for a scientific paper once just to show it worked, but you’d never want to do it again. This makes it a lot easier. Everything is on the table now.” erzählt Cumer.