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Feasibility demonstration of 3D printing for a new efficient production method of mm-wave waveGUIDE antenna

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Additive Fertigung komplexer Millimeterwellenleiter-Antennen

Unverzichtbare Millimeterwellen-Radargeräte für verbesserte Flugsichtsysteme können jetzt mithilfe von pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen effizienter hergestellt werden.

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Eine verbesserte Sicht auf kurze Entfernungen für flugzeugführende Belegschaft, insbesondere bei der Landung unter ungünstigen Wetterbedingungen oder um Wildtiere oder andere Hindernisse auf der Landebahn zu erkennen, kann die Sicherheit erheblich erhöhen und Flugverspätungen verringern. Die meisten Unfälle weltweit ereignen sich auf Start- und Landebahnen/Rollbahnen. Flugverspätungen kosten die Luftverkehrsbranche mehrere Milliarden Euro. Schlechte Sicht ist eine der Hauptursachen für beides. Verbesserte Flugsichtsysteme, die immer weiter verbreitet sind, beseitigen Probleme mit schlechter Sicht. Das Millimeterwellenradar (mm-Welle) im W-Band des Mikrowellenspektrums ist einer der wichtigsten Sensoren derartiger Systeme. Die effizientere Herstellung von W-Band-Radarantennen und Millimeterwellenkomponenten genießt eine hohe Priorität der EU und des Programms Clean Sky 2. Das EU-finanzierte Projekt 3DGUIDE hat eine zuverlässige und kostengünstige Lösung für die Herstellung von Millimeterwellenleiter-Antennen durch die Kombination von additiver Fertigung, Schnittstellenbearbeitung und Nachbearbeitung durch Wärmebehandlung und Oberflächenveredelung gefunden.

Pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen: schnelle und kostengünstige Prototyperstellung komplexer Teile

Präzisionsguss und Kaltfließpressen sind die wichtigsten Technologien für die Herstellung von Hohlwellenleiterprototypen. Sie sind relativ kostengünstig für die Massenproduktion, doch haben sie mit komplexen Architekturen zu kämpfen. Diffusionsschweißen und Split-Block-Lösungen sind technologisch fortschrittlicher, aber dadurch teuer und zeitaufwendig. 3DGUIDE optimierte das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen, eine Technologie zur additiven Fertigung für Metall, für die Herstellung von Millimeterwellenleiter-Antennen und -Antennenelementen (Wellenleitern). Das pulverbettbasierte Laserstrahlschmelzen wurde für den hochauflösenden Druck mit freier Formgebung für einen erhöhten Integrationsgrad und mit einer großen Materialvielfalt, einschließlich der in der Luftfahrt bewährten, optimiert. Laut Projektkoordinator Oleksandr Vorobyov vom Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique (CSEM) hat die Technologie bereits viele Vorteile bei der Herstellung von Mikrowellenkomponenten gezeigt, wie z. B. Gewichtsreduzierung, Verringerung und Vereinfachung der Montage und sogar die Möglichkeit, dank der Gestaltungsfreiheit Kühlkanäle einzubetten. „Der 3D-Druck ist daher eine ausgezeichnete Wahl für die Fertigung von Antennen mit komplexen 3D-Formen und verringert Montageschritte und -kosten.“

Komplexe pulvergeformte Teile mit Massenmaterialeigenschaften

3DGUIDE hat eine Methode zur Optimierung von Materialien für kompakte Abmessungen entwickelt und auf eine Aluminiumlegierung angewendet. Das Team wies Abmessungen von 80±3 µm und 150±3 µm mit einer Oberflächenrauheit von etwa 6 µm nach Kugelstrahlen und weniger als 1 µm nach einer fortgeschrittenen Oberflächenbehandlung nach. „Die mechanische Nachbehandlung der Wellenleiterflansche ist notwendig. Dieser Schritt verbessert die Leistung der Wellenleiterkomponenten wie z. B. Wellenleiterabschnitte, wellenleiterbasierte Phasenschieber und Antennen“, fügt Vorobyov hinzu. Die optimierte Technologie des pulverbettbasierten Laserstrahlschmelzens wurde durch die Herstellung, das Testen und den Vergleich von gedruckten Antennen und Antennenelementen (Wellenleitern) mit herkömmlichen Fertigungsverfahren (d. h. mikrobearbeiteten Split-Block-Lösungen) verglichen. Die Eigenschaften des mit additiver Fertigung hergestellten Teils näherten sich denen des Massenmaterials an.

3DGUIDE leistet Pionierarbeit bei der effizienten Herstellung von W-Band-Wellenleiterkomponenten

3DGUIDE demonstrierte erfolgreich den 3D-Druck von komplexen W-Band-Antennen mit weniger Montageschritten und Kosten. „Die Preissenkung ist eng mit der Produktionsmenge verbunden. Eine grobe Schätzung deutet darauf hin, dass die Produktionskosten von Millimeterwellenbauteilen mit pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen mindestens dreimal niedriger sein werden als bei herkömmlichen Verfahren. Der Nutzen für komplexere Millimeterwellenkomponenten kann viel höher sein. Am wichtigsten ist jedoch, dass die additive Fertigung eine erhebliche Verkürzung der Produktionszeit und eine hervorragende Wiederholbarkeit bietet“, schließt Vorobyov. Hochentwickelte W-Band-Radarsysteme sind dank der 3DGUIDE-Produktionstechnologie für die Massenintegration in Fluggesellschaften und die Verbesserung der Sicherheit leichter zugänglich geworden.

Schlüsselbegriffe

3DGUIDE, Antenne, Wellenleiter, mm-Welle, additive Fertigung, pulverbettbasiertes Laserstrahlschmelzen, verbesserte Flugsichtsysteme

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