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

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Fabrication additive d’antennes complexes à guide d’ondes millimétriques

Un radar à ondes millimétriques essentiel pour les systèmes de vision en vol améliorés peut désormais être produit plus efficacement grâce à la fusion laser sur lit de poudre.

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L’amélioration de la visibilité à courte distance des pilotes, notamment lors d’un atterrissage dans des conditions météorologiques défavorables ou simplement pour détecter des animaux sauvages ou d’autres obstructions sur la piste, peut considérablement améliorer la sécurité et réduire les retards de vol. Les sorties de piste représentent le plus grand nombre d’accidents au niveau mondial. Les retards de vols coûtent des milliards d’euros à l’industrie du transport aérien. La faible visibilité est l’une des principales causes de ces deux phénomènes. Les systèmes de vision en vol améliorée (EFVS), de plus en plus répandus, éliminent les problèmes de faible visibilité. Le radar à ondes millimétriques (ondes mm), dans la bande W du spectre des micro-ondes, est l’un des principaux capteurs des EFVS. La fabrication plus efficace d’antennes radar en bande W et de composants à ondes millimétriques est une priorité de l’UE et du programme Clean Sky 2. Le projet 3DGUIDE, financé par l’UE, a fourni une solution fiable et rentable, en produisant des antennes à guide d’ondes millimétriques par la combinaison de la fabrication additive (FA), de l’usinage d’interface et du post-traitement par traitement thermique et finition de surface.

Fusion laser sur lit de poudre: prototypage rapide et rentable de pièces complexes

Le moulage de précision et l’extrusion à froid sont les principales technologies utilisées pour le prototypage de sections creuses de guides d’ondes. Elles sont relativement peu coûteuses pour une production de masse, mais sont confrontées à des difficultés liées à des architectures complexes. L’adhésion par diffusion et les solutions à blocs divisés sont plus avancées technologiquement, ce qui rend toutefois ces techniques coûteuses et chronophages. 3DGUIDE a optimisé la fusion laser sur lit de poudre (LPBF), une technologie de FA métallique, pour la production d’antennes et d’éléments d’antenne à ondes millimétriques (guides d’ondes). La LPBF a été optimisée pour l’impression haute résolution avec une liberté de façonnage pour un niveau d’intégration accru et avec une grande variété de matériaux, y compris des matériaux éprouvés en aéronautique. Selon Oleksandr Vorobyov, coordinateur du projet et rattaché au Centre suisse d’électronique et de microtechnique (CSEM), «la technologie LPBF a déjà montré de nombreux avantages dans la fabrication de composants micro-ondes, tels que la réduction du poids, la réduction et la simplification de l’assemblage, et même la possibilité d’intégrer des canaux de refroidissement grâce à sa liberté de conception. L’impression 3D est donc un excellent choix pour la production d’antennes aux formes 3D complexes, ce qui réduit les étapes et les coûts d’assemblage».

Pièces complexes formées à partir de poudre avec des propriétés de matériaux en vrac

3DGUIDE a développé une méthode d’optimisation des matériaux pour des dimensions compactes et l’a appliquée à un alliage d’aluminium. L’équipe a démontré des dimensions de 80±3 µm et 150±3 µm avec une rugosité de surface d’environ 6 µm après grenaillage et de moins de 1 µm après un traitement de surface avancé. «Le post-traitement mécanique des brides de guides d’ondes est indispensable. Cette étape améliore les performances des composants de guide d’ondes tels que les sections de guide d’ondes, les déphaseurs à base de guide d’ondes et les antennes», ajoute Oleksandr Vorobyov. La technologie LPBF optimisée a été comparée aux procédés de fabrication traditionnels (c’est-à-dire les solutions de micro-usinage à blocs séparés) par le biais de la fabrication, des essais et de la comparaison d’antennes et d’éléments d’antenne imprimés (guides d’ondes). Les propriétés de la pièce obtenue par FA sont proches de celles du matériau en vrac.

3DGUIDE ouvre la voie à la production efficace de composants de guides d’ondes en bande W

3DGUIDE a démontré avec succès l’impression 3D d’antennes complexes en bande W avec des étapes et des coûts d’assemblage réduits. «La réduction des prix est étroitement liée à la quantité de production. Une estimation approximative suggère que les coûts de production des composants à ondes millimétriques utilisant la LBPF seront au moins trois fois inférieurs à ceux des méthodes conventionnelles. Les avantages pour les composants plus complexes à ondes millimétriques peuvent être beaucoup plus importants. Mais surtout, la FA permet de réduire considérablement le temps de production et d’obtenir une excellente répétabilité», conclut Oleksandr Vorobyov. Grâce à la technologie de production 3DGUIDE, les systèmes radar sophistiqués en bande W sont devenus plus accessibles pour une intégration massive dans l’aviation et pour une sécurité accrue.

Mots‑clés

3DGUIDE, antenne, guide d’ondes, ondes mm, FA, LPBF, fusion laser sur lit de poudre, EFVS, systèmes de vision en vol améliorés, fabrication additive

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