Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Miniaturisierung von Helixantennen für HF-Anwendungen durch additive Fertigungsverfahren und 3D-Funktionalisierung

Der klassische Aufbau von Helixantennen aus gewickelten Drähten stößt für höhere Frequenzen und damit kleineren Strukturgrößen an seine Grenzen. In diesem Forschungsprojekt sollen Metallisierungsverfahren der MID-Technologie untersucht werden, die es überhaupt erst ermöglichen, kostengünstig bifilare und quadrifilare Helixantennen mit den notwendigen Abmessungen herzustellen.

Folgende Fertigungsverfahren sollen eingesetzt und gegenübergestellt werden: Laserdirektstrukturierung, Dispensierverfahren, Inkjet, Aerosoljet, Nanojet und selektives Laserschmelzen. Ausgehend von dem bereits hergestellten Antennenprototypen soll für jede Technologie untersucht werden, in wie weit sich damit multifilare Antennenelemente miniaturisieren lassen, d.h. welcher Einsatzfrequenzbereich erreichbar ist. Unter Berücksichtigung der Fertigungskosten kann so ein Entwurfskatalog für die Herstellung der Einzelelemente in 3D-MID-Technologien erstellt werden.

Kommunikations-, Radar- und bildgebende Systeme arbeiten u.A. mit massive MIMO und beam forming, sodass meist eine Vielzahl an solchen Einzelantennenelementen benötigt wird. Durch räumlich dicht angeordnete Antennenelemente müssen neue Fertigungsstrategien für die Gesamtanordnung untersucht werden. Dies beinhaltet auch die wellenwiderstandsrichtige Kontaktierung der Antennenelemente untereinander bzw. an die Peripherie, was sich mittels konventionellen Leiterplatten oder ebenfalls gedruckten Speisenetzwerken realisieren lässt.

Additive Fertigungsverfahren ermöglichen wirtschaftliche Kleinserienherstellung und schnelle und flexible Entwurfsanpassungen, wovon insbesondere KMU profitieren können. Die Etablierung der MID-Technologie in der HF-Technik führt außerdem zur Erschließung neuer Anwendungsgebiete und Märkte, z. B. im Bereich der Industrie 4.0 und Automobilindustrie. KMUs aus der Elektronikproduktion profitieren von neuen Erkenntnissen im Bereich der hybriden Elektronik durch Kontaktierung von MID-Antennen auf PCBs.

Ergebniszusammenfassung:

Die Herstellung von Helixantennen für die Hochfrequenztechnik ist mittels MID-Produktionstechnologien möglich. Allerdings ist eine sorgfältige Abwägung erforderlich, welche Technologie für den jeweiligen Frequenzbereich am besten geeignet ist.

Das selektive Laserschmelzen (SLM) erwies sich als zu restriktiv, da die additiv gefertigten Strukturen während des Abkühlprozesses zu großen inneren Spannungen neigen, die sich nach dem Abkühlen in Verformungen äußern. Die Nanojet-Technologie wurde für Frequenzen über 1-2 GHz als nicht praktikabel erachtet, bedingt durch mangelnde Randschärfe und eine starke Streuung der leitenden Partikel an der Oberfläche des zu beschichtenden Mediums.

Die Aerosoljet-Technologie minimiert diese Probleme im Vergleich zur Nanojet-Technologie und in Versuchen konnten Frequenzen bis 28 GHz übertragen und abstrahlende Helixantennen realisiert werden. Die Laserdirektstrukturierung (LDS) erwies sich als vielversprechend, besitzt allerdings Optimierungspotenzial zur Vermeidung von Fehlmetallisierung.

Der stereolithografische 3D-Druck (SLA) in Kombination mit vollflächiger Funktionalisierung zeigt sich als vielversprechende Option für Frequenzen über 28 GHz. Die höhere Strukturauflösung ermöglicht feinere Helixstrukturen und Funktionsgruppen.

Durch die Untersuchung der Tauglichkeit verschiedener Verfahren und insbesondere deren Kombination miteinander bietet dieses Projekt eine sinnvolle Bewertung und ermöglicht insbesondere kleinen und mittelständischen Unternehmen, eine zielgerichtete Strategie zu wählen und Fehlversuche zu reduzieren. Additive Herstellungsverfahren können von KMUs insbesondere dazu genutzt werden, Kleinserien wirtschaftlich zu fertigen. Die Ergebnisse des Projekts ermöglichen für KMUs die Erschließung neuer, zukunftsorientierter Märkte wie Kommunikationstechnologien für Industry 4.0 und IoT, sowie Komponenten für bildgebende Radarsensoren, welche einen zentralen Bestandteil des autonomen Fahrens bilden.