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

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Fabricación aditiva de antenas complejas de guía de ondas milimétricas

Los radares de ondas milimétricas esenciales para los sistemas de visión de vuelo mejorados pueden fabricarse ahora con mayor eficacia mediante fusión de lecho de polvo por láser.

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Mejorar la visibilidad a corta distancia de los pilotos, sobre todo al aterrizar en condiciones meteorológicas adversas o simplemente para detectar flora y fauna silvestres u otros obstáculos en la pista, puede aumentar considerablemente la seguridad y reducir los retrasos de los vuelos. Las salidas de pista representan el mayor número de accidentes a nivel mundial y los retrasos de los vuelos cuestan miles de millones de euros al sector aéreo. La baja visibilidad es una de las principales causas de ambos. Los sistemas de visión en vuelo mejorada (EFVS, por sus siglas en inglés), cada vez más extendidos, eliminan los problemas de baja visibilidad. El radar de ondas milimétricas en la banda W del espectro de microondas, es uno de los sensores fundamentales de los EFVS. La fabricación más eficiente de antenas de radar de banda W y de componentes de radares de ondas milimétricas es una de las principales prioridades de la Unión Europea y del programa Clean Sky 2. El equipo del proyecto 3DGUIDE, financiado con fondos europeos, ha conseguido una innovación fiable y rentable, al producir antenas de guía de ondas milimétricas mediante la combinación de fabricación aditiva, mecanizado de interfaz y posprocesamiento mediante tratamiento térmico y acabado de la superficie.

Fusión de lecho de polvo por láser: creación rápida y rentable de prototipos de piezas complejas

La fundición de precisión y la extrusión en frío son las principales tecnologías que se emplean para crear prototipos de secciones huecas de guías de ondas. Son relativamente baratas para la producción en masa, pero presentan problemas con las arquitecturas complejas. Los métodos de unión por difusión y en bloques divididos son más avanzados desde el punto de vista tecnológico, pero estos avances hacen que resulten caros y lentos. El equipo del proyecto 3DGUIDE ha optimizado la fusión de lecho de polvo por láser (LPBF, por sus siglas en inglés), una tecnología de fabricación aditiva de metales, para la producción de antenas y elementos de antena (guías de ondas) de ondas milimétricas. La LPBF se optimizó para la impresión de alta resolución con libertad de moldeo para un mayor nivel de integración y con una gran variedad de materiales, incluidos los aprobados en aeronáutica. Según el coordinador del proyecto, Oleksandr Vorobyov, del Swiss Center for Electronics and Microtechnology (CSEM): «La tecnología LPBF ya ha mostrado muchas ventajas en la fabricación de componentes de microondas, como reducción del peso, disminución y simplificación del montaje e incluso la posibilidad de insertar canales de refrigeración gracias a la libertad de diseño que ofrece. La impresión tridimensional (3D) es, por tanto, una opción excelente para la producción de antenas con formas 3D complejas, lo que reduce los pasos de montaje y los costes».

Piezas complejas formadas a partir de polvo con propiedades de materiales voluminosos

El equipo de 3DGUIDE elaboró un método para optimizar los materiales para dimensiones compactas y lo aplicó a una aleación de aluminio. Probó unas dimensiones de 80±3 µm y 150±3 µm con una rugosidad superficial de aproximadamente 6 µm tras el granallado y de menos de 1 µm tras un tratamiento superficial. «El postratamiento mecánico de las bridas de las guías de ondas es imprescindible. Este paso mejora el rendimiento de los componentes de guías de ondas, como las secciones de la guía de ondas, los desfasadores basados en guías de ondas y las antenas», añade Vorobyov. La tecnología LPBF optimizada se comparó con los procesos de fabricación tradicionales (es decir, las técnicas de micromecanizado de bloques divididos) mediante la fabricación, el ensayo y la comparación de antenas y elementos de antena (guías de ondas) impresos. Las propiedades de las piezas obtenidas mediante fabricación aditiva se aceraron a las del material voluminoso.

3DGUIDE es pionero en la producción eficiente de componentes de guía de ondas de banda W

En 3DGUIDE se demostró satisfactoriamente la impresión 3D de antenas complejas de banda W con menos pasos de montaje y unos costes reducidos. «La disminución del precio está estrechamente relacionada con la cantidad de producción. Según una estimación aproximada, los costes de producción de componentes de ondas milimétricas mediante LBPF serían al menos tres veces inferiores a los de los métodos convencionales. Los beneficios para los componentes más complejos de los radares de ondas milimétricas pueden ser mucho mayores. Sin embargo, lo más importante es que la fabricación aditiva permite una reducción significativa del tiempo de producción y una excelente repetibilidad», concluye Vorobyov. La tecnología de producción de 3DGUIDE ha facilitado el acceso de los sofisticados sistemas de radar de banda W para su integración masiva en las líneas aéreas y la mejora de la seguridad.

Palabras clave

3DGUIDE, antena, guía de ondas, onda milimétrica, fabricación aditiva, LPBF, fusión de lecho de polvo por láser, EFVS, sistemas de visión en vuelo mejorada, fabricación aditiva

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