COMERCIO E INDUSTRIAS


Antenas impresas en 3D con menor coste, peso y tamaño

21/02/2021

CATEGORíA: Industria y Mantenimiento MARCA: U.S. Naval Research Laboratory

Expertos del Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU. han creado y probado antenas impresas en 3D para promover la tecnología de radar y permitir nuevas aplicaciones para la Marina estadounidense.


Cassandra Eichner

 

La producción ligera y rápida de piezas impresas en 3D lo convierte en una alternativa atractiva a la fabricación tradicional que a menudo requiere materiales costosos y equipos especializados.

 

 

Anna Stumme, ingeniera eléctrica del Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU. realiza ajustes en una matriz dentro de la cámara anecoica en el Laboratorio de Investigación Naval de EE.UU. en Washington, D.C.. Stumme crea y prueba piezas prototipo desarrolladas utilizando métodos tradicionales e impresos en 3D. (Foto de Jonathan Steffen)

 

 

“La impresión 3D es una forma de producir prototipos rápidos y pasar por múltiples iteraciones de diseño muy rápidamente, con un coste mínimo”, afirma la ingeniera eléctrica de NRL Anna Stumme. “El peso ligero de las piezas impresas también nos permite llevar la tecnología a nuevas aplicaciones, donde el peso de las piezas de metal sólido solía restringirnos”.

 

Los sistemas de radar realizan funciones críticas para la Marina y siguen siendo una parte importante de la navegación marítima y la defensa nacional. Las piezas de antenas y arreglos, que son múltiples antenas conectadas que funcionan juntas como una sola, pueden romperse o desgastarse inesperadamente y requerir reemplazo.

 

Tradicionalmente, las piezas se ordenan o elaboran intrincadamente a partir de metal, a veces lleva semanas producirlas. Las piezas de radar impresas en 3D, como una matriz cilíndrica, que proporciona una visibilidad de 360 ​​grados, se pueden producir en cuestión de horas en lugar de varios días utilizando métodos tradicionales debido a la reducción del tiempo de mecanizado y montaje.

 

Además de los beneficios de producción, el costo relativamente bajo de los materiales de impresión 3D permite a los investigadores probar múltiples versiones de piezas con una sobrecarga mínima. Los prototipos perfeccionados se pueden mecanizar utilizando métodos tradicionales. Una vez que un prototipo se produce con éxito, ya sea impreso en 3D o fabricado tradicionalmente, debe someterse a pruebas rigurosas antes de que se utilice operativamente. Ese es el "superpoder", dijeron Stumme y sus colegas: pueden realizar rápidamente una variedad de pruebas en nuevos diseños utilizando piezas impresas en 3D.

 

“No estamos tratando de decir que necesitamos imprimir todo en 3D y ponerlo en un barco porque eso no es realista”, comenta Stumme. “No sabemos necesariamente cómo se comportaría en ese entorno. Para nosotros, es una forma de probar más iteraciones de diseño en poco tiempo ".

 

A principios de 2019, Stumme presentó un documento que compara las piezas impresas en 3D con las piezas fabricadas tradicionalmente en el Simposio de aplicaciones de antena. Ganó el concurso de trabajos de estudiantes por su investigación.

Nuevas aplicaciones

Stumme y sus colegas están investigando cómo las aplicaciones con limitaciones de peso y tamaño, como los vehículos aéreos no tripulados o los barcos pequeños, pueden beneficiarse de las piezas impresas en 3D. Muchos de los prototipos 3D se imprimen utilizando nailon ligero en las instalaciones del Laboratorio de Investigación de Sistemas Autónomos de NRL. Una vez impresa la pieza, se somete a un proceso llamado galvanoplastia.

 

Durante el proceso de galvanoplastia, se aplica una fina capa de metal a la pieza impresa. La galvanoplastia proporciona una superficie conductora para que el dispositivo irradie según lo previsto; algo que no es factible solo con plástico. El resultado es un prototipo liviano que luego puede evaluarse para una variedad de atributos, como la rugosidad de la superficie, un factor importante en la funcionalidad de los elementos de antena.

 

Stumme colabora con científicos de materiales de NRL de todo el NRL, quienes realizan la caracterización crítica de la rugosidad de la superficie. La caracterización de la rugosidad de la superficie proporciona una evaluación del revestimiento de una antena y el impacto que tiene la rugosidad en su rendimiento.

 

“La rugosidad de la superficie es importante para las guías de ondas y antenas porque puede causar pérdidas por dispersión y resultar en una antena menos eficiente”, comenta Nick Charipar, jefe de la Sección de Materiales y Sistemas Aplicados. “Las antenas irradian y reciben ondas. Entonces, si una onda corre a lo largo de una superficie rugosa, se distorsiona y es posible que la energía no vaya a donde usted quiere que vaya ".

 

Charipar y su equipo, parte de la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de NRL, prototipo de piezas impresas en 3D para la División de Radar de NRL. Una vez que se crea la pieza, los investigadores investigan cómo las características del material impactan la funcionalidad del radar. Cada impresora 3D tiene características únicas que pueden alterar el rendimiento del producto. Si los investigadores pueden descubrir los parámetros óptimos para piezas específicas impresas en 3D, Stumme y sus colegas están de acuerdo en que los barcos podrían volverse autosuficientes para esas piezas críticas en cualquier parte del mundo.

 

Próximos pasos

A pesar de las restricciones actuales de COVID-19, la investigación en NRL continúa prosperando desde la distancia. A finales de este año, Stumme y sus colegas planean demostrar un nuevo prototipo de aperturas de matriz cilíndrica para una demostración de radar de vigilancia de banda X en un entorno de laboratorio. El radar de vigilancia de banda X está diseñado para buscar en el área que rodea una plataforma en particular, como un barco. Están explorando la integración de matrices cilíndricas en los mástiles de recipientes más pequeños utilizando fotónica de microondas y fibras ópticas.

 

“Las matrices cilíndricas son ventajosas porque brindan una visibilidad total de 360 ​​grados”, comenta Mark Dorsey, jefe de la Sección de Antenas en la Rama de Análisis de Radar de la División de Radar e investigador principal del proyecto. "Las fibras ópticas son valiosas porque pueden permitir largas separaciones entre la antena y el lugar donde se realiza el procesamiento".

 

El uso de fibras ópticas reduce la cantidad de componentes requeridos en el mástil de un barco de la Marina, lo que reduce aún más las restricciones de calor y peso. La demostración incluirá pruebas de versiones de la matriz fabricadas tradicionalmente e impresas en 3D para comparar el rendimiento. Stumme diseñó ambas versiones.

En 2021, el equipo está programado para realizar pruebas de campo en el prototipo. La demostración será en el último año de su esfuerzo de cuatro años para hacer que la matriz sea más práctica de usar en plataformas más pequeñas y mostrar cómo usar matrices fácilmente con fibras ópticas. La financiación de la investigación proviene de la financiación básica de NRL.

 

Fuente: www.nrl.navy.mil

 

 

 

 

Volver al listado

PUBLICIDAD