01 Inleiding
Additive Manufacturing (AM) van keramiek zorgt voor een revolutie in het ontwerp en de productie van elektronische microgolfcomponenten in ruimtecommunicatiesystemen. Keramiek is onmisbaar in dergelijke apparaten vanwege hun uitstekende elektromagnetische eigenschappen, hoge thermische stabiliteit en uitstekende mechanische sterkte. Via AM kunnen de vorm en afmetingen van keramische materialen nauwkeurig worden gecontroleerd, waardoor ze kunnen voldoen aan de strenge eisen voor nauwkeurigheid en prestaties in microgolfelektronica. Bovendien spelen elektromagnetische afschermingscomponenten een cruciale rol bij het verminderen van elektromagnetische interferentie en het garanderen van een stabiele signaaloverdracht. Het gebruik van additief vervaardigd keramiek biedt een nieuwe methode om de isolatieprestaties te optimaliseren en de effectiviteit van de afscherming te verbeteren.
Laser- en elektronenbundelverwerking
02 Additief vervaardigde filters
Keramische materialen vertonen een extreem hoge chemische stabiliteit en corrosiebestendigheid, waardoor ze geschikt zijn voor langdurig gebruik-in zware omstandigheden als filters. Bovendien bevordert de integratie van diëlektrische materialen met AM een breed scala aan diëlektrische constanten (εr). Hetzelfde diëlektrische materiaal kan verschillende εr-waarden bereiken door parameters zoals openingsgrootte, geometrie en hiërarchische structuur te wijzigen. Dit maakt het mogelijk om keramische filters aan te passen aan specifieke vereisten en de filterefficiëntie en -precisie te optimaliseren.
Een voorbeeld is een monolithisch diëlektrisch golfgeleiderfilter dat is vervaardigd met behulp van op lithografie-gebaseerde Ceramic Manufacturing (LCM)-technologie. Het filter is ontworpen om te werken op 11,5 GHz met een bandbreedte van 850 MHz en is vervaardigd uit een diëlektrische schijf uit één-stuk, die verzilverd- is om de functionaliteit van een conventionele metalen behuizing na te bootsen. LCM-technologie biedt ontwerpflexibiliteit zonder de noodzaak van op maat gemaakte mallen en maakt een nauwkeurigere productie mogelijk. Metallisatie van keramische structuren maakt gebruik van de weerstand van keramiek tegen hoge temperaturen, corrosieweerstand en isolerende eigenschappen, terwijl deze worden gecombineerd met de sterkte en geleidbaarheid van metalen om de prestaties te optimaliseren.
Figuur 1.(a) Diëlektrische golfgeleiderfilter van de vierde- orde, (b) BPF gebaseerd op een hemisferische resonator van de vierde - orde, (c) C--band triplexfilter.
Laser- en elektronenbundelverwerking
03 Additief vervaardigde resonatoren
Resonatoren zijn elektronische apparaten die in staat zijn tot stabiele oscillatie bij specifieke frequenties en die veel worden gebruikt bij het genereren van frequenties en signaalverwerking. Microgolf- en hoogfrequente signalen worden vaak gebruikt in satellietcommunicatie- en radarsystemen. De hoge stabiliteit en hoge Q-factor van diëlektrische resonatoren maken ze ideaal voor dergelijke toepassingen.
De functionaliteit van diëlektrische resonatoren is gebaseerd op de reactie van diëlektrische materialen op elektromagnetische golven. De voortplantingssnelheid van deze golven wordt bepaald door de εr van het materiaal, terwijl de grootte, vorm en eigenschappen van het diëlektrische materiaal dat in de resonator wordt gebruikt de resonantiefrequentie ervan beïnvloeden. Met AM kunnen diëlektrische resonatoren zo worden ontworpen en vervaardigd dat ze geminiaturiseerd zijn en hoge-prestaties leveren, afgestemd op verschillende vereisten. Dit optimaliseert de voortplanting en reflectie-eigenschappen van het radarsignaal. Een dergelijke aanpak maakt een meer op maat gemaakte, nauwkeurige en kosteneffectieve-productie van diëlektrische resonatoren mogelijk.
Figuur 2.(a) Schema van de antennestructuur, (b) tri--mode-resonator, (c) uniaxiale anisotrope diëlektrische resonatorantenne.
Laser- en elektronenbundelverwerking
04 Additief vervaardigde sensoren
AM-sensoren profiteren van aanpasbare en complexe geometrieën en architecturen. In combinatie met de piëzo-elektrische, thermo-elektrische en piëzoresistieve eigenschappen van keramische materialen maken ze detectietoepassingen met hoge-precisie en hoge-prestaties mogelijk.
Piëzo-elektrische keramische sensoren, gekenmerkt door hun unieke elektromechanische koppelingsgedrag, worden steeds belangrijker in de lucht- en ruimtevaart. Ze bieden nauwkeurige monitoring van druk, temperatuur en trillingen en worden veel gebruikt om de bedrijfsomstandigheden van motoren, rompen en andere kritische lucht- en ruimtevaartcomponenten te beoordelen.
Vanwege de inherente broosheid van keramiek is de ontwikkeling van flexibele keramiek een belangrijk onderzoeksfocus geworden. Om dit aan te pakken werd een flexibele keramische composietdruksensor ontwikkeld met behulp van DLP AM, waarbij BaTiO3 werd gecombineerd met MWCNT's in een lichtgevoelige hars om de diëlektrische prestaties en mechanische flexibiliteit te optimaliseren. Zoals weergegeven in de afbeelding is een zandloper-vormige spannings-concentratiestructuur ontworpen om de gevoeligheid te vergroten. Eindige-elementenanalyse en experimenten bevestigden een verbeterde lineaire gevoeligheid over een breed drukbereik, wat de haalbaarheid van DLP in hoogwaardige flexibele sensoren aantoonde.
Figuur 3.(a) Flexibele capacitieve druksensor, (b) flexibele piëzo-elektrische composieten en schema van een kleine robot.
Laser- en elektronenbundelverwerking
05 Conclusie
Additieve productie van keramiek maakt aanpassing van keramische eigenschappen mogelijk, zoals hoge hittebestendigheid, lage thermische geleidbaarheid en uitstekende elektromagnetische afscherming, waardoor ze ideaal zijn voor lucht- en ruimtevaarttoepassingen, waaronder communicatiesystemen, radar en thermische bescherming. Vergeleken met traditionele productie biedt AM aanzienlijke voordelen voor complexe keramische componenten, waardoor een grotere ontwerpflexibiliteit wordt geboden om ingewikkelde geometrieën en lichtgewicht structuren te creëren. Dit is vooral waardevol in de lucht- en ruimtevaart, waar gewichtsvermindering de brandstofefficiëntie en prestaties aanzienlijk kan verbeteren.
AM ondersteunt ook componentintegratie, waarbij meerdere functies-zoals structurele integriteit, thermische weerstand en elektromagnetische afscherming-in één onderdeel worden gecombineerd, waardoor het aantal componenten wordt verminderd en de montage wordt vereenvoudigd. Bovendien maken deze technologieën snelle prototyping en ontwerpaanpassingen mogelijk op basis van prestatiefeedback.
