Università della California: stampa 3D con materiali magnetici ed esaferrite
Max Ho dell’Università della California ha recentemente pubblicato la sua tesi di laurea, ” Stampa magnetica 3D di materiale esaferrite “, esplorando l’uso di tecnologie e materiali progressivi e il potenziale in possibili applicazioni come la miniaturizzazione e l’integrazione del circolatore. Ho scelto la stampa 3D come tecnologia preferita per la capacità di fabbricare tecnologie complesse con l’aggiunta di materiale magnetico.
Per questo studio, Ho ha scelto particelle esaferrite a causa della “forte anisotropia magnetocristallina e bassa conduttanza”, in grado di ruotare nella direzione del campo anziché cambiare direzione. Il team di ricerca ha creato particelle esaferrite e un polimero liquido, SU8.
“La stampa 3D di questo composito con poling renderà possibile la stampa diretta di componenti magnetici che richiedono magnetizzazione anisotropica fuori piano e in piano”, spiega Ho.
L’onda millimetrica, uno spettro elettromagnetico, corrisponde da 30 a 300 GHz, un regime che è “ideale” per le comunicazioni satellitari e radar nascoste.
I sistemi di comunicazione utilizzerebbero i moduli di trasmissione e ricezione (T / R) a radiofrequenza per aumentare la potenza di uscita, stabilire la cifra del rumore del sistema per la ricezione e offrire il controllo dello sterzo del raggio. L’uso di una singola antenna sarebbe il migliore in questo scenario, con un circolatore che controlla il flusso del segnale.
I componenti magnetici sono necessari per i sistemi a onde millimetriche e i moduli sono creati con:
Circuiti integrati a microonde monolitici (MMIC)
circolatori
isolatori
Induttori
La stampa 3D si è dimostrata utile e versatile in termini di compositi magnetici, insieme ad altri materiali:
“Una classe di materiali intelligenti noti come elastomeri magnetoreologici, compositi di polimeri e materiali magnetici, è stata fabbricata con tecniche tradizionali e solo di recente con la stampa 3D. Precedenti ricerche hanno dimostrato la stampa del composito magnetico e il suo poling nel piano di stampa [16], [17], dove il poling è l’atto di impostare la magnetizzazione del composito nella direzione desiderata. Lo stesso concetto e la stessa tecnica possono essere applicati a diversi materiali magnetici, come l’esaferrite ”, ha affermato Ho.
Il team ha utilizzato la stampa 3D FDM / FFF, selezionando una stampante Hyrel M30. Si possono usare filamenti termoplastici, insieme a compositi liquidi o gel. Mentre ci sono molti ostacoli nell’uso di hexaferrite, una miscela di particelle e fotoresist ha funzionato in studi precedenti, ma il team di ricerca qui ha pensato che l’uso della stampa 3D renderebbe il processo ancora più versatile rispetto all’uso di metodi tradizionali. E mentre sono stati in grado di raggiungere i loro obiettivi, Ho afferma che “c’è sempre spazio per migliorare”.
Ho suggerisce l’uso di particelle esaferrite a singolo dominio o la possibilità di sostituire la matrice polimerica con meno solvente, insieme a poling in situ.
“Questa tecnica di stampa 3D con un composito di materiale magnetico in una matrice polimerica ha una gamma più ampia di applicazioni oltre ai dispositivi magnetici ad onda millimetrica. Il materiale magnetico o la matrice polimerica possono essere cambiati in diverse varietà, a seconda dell’applicazione ”, afferma Ho. “Ad esempio, le particelle magnetiche possono essere realizzate in NdFeB, che avrebbe una magnetizzazione molto elevata e adatto per applicazioni a bassa frequenza.
“La matrice polimerica può anche essere cambiata da SU8 a polimero a base di silicone o PDMS, che non è fotosensibile. Se il composito soddisfa i requisiti indicati nel capitolo 2, può essere utilizzato in una stampante 3D di tipo FDM / FFF. “
I compositi e altri materiali con l’uso della magnetica stanno crescendo in popolarità nella stampa 3D, per tutto, dall’uso nella microgravità ai sensori , agli assiemi funzionali per dispositivi medici e altro ancora.
Entrambi i tipi si basano anche sulla presenza di un campo magnetico asimmetrico fornito dalla ferrite magnetizzata. Dal punto di vista di un’onda elettromagnetica che viaggia verso la giunzione, la geometria sarebbe identica da ogni porta. Tuttavia, la distribuzione del campo dell’onda all’interno della guida d’onda non è simmetrica. I campi H sono polarizzati ellitticamente su piani lungo o normali rispetto alla direzione di marcia ed hanno orientamento opposto su entrambi i lati della guida d’onda. Poiché la permeabilità è un tensore e quindi dipende dall’orientamento, l’onda subirà asimmetria mentre attraversa il campo magnetico esterno dalla ferrite magnetica. Di seguito viene ripetuta un’analisi matematica della struttura che spiega come funziona un circolatore. 
Gli schemi illustrano le funzioni di un circolatore (duplexer) e di un isolatore [5]. Un circolatore in un modulo T / R controlla il flusso di segnali tra il trasmettitore, l’antenna e il ricevitore. Un isolatore è un circolatore con una terza porta a terra e blocca il segnale riflesso alla sorgente del segnale. 
Il circolatore consente alla singola antenna di essere condivisa tra gli stati di trasmissione e ricezione. L’isolatore (circolatore con una porta collegata a terra nello schema a blocchi) protegge l’antenna dal segnale riflesso. Il limitatore previene i danni all’amplificatore a basso rumore durante la trasmissione o ogni volta che è presente una radiazione diffusa, e l’amplificatore a basso rumore (LNA) imposta la cifra di rumore del sistema, ma tutte le perdite tra l’antenna e l’LNA si aggiungono alla cifra di rumore generale e deve essere ridotto al minimo. Lo sfasatore e spesso l’attenuatore vengono utilizzati in entrambi i percorsi di trasmissione e ricezione. In questo schema a blocchi, un amplificatore e lo sfasatore sono configurati nel circuito common-leg (CLC). L’attenuatore viene utilizzato per aggiungere una rastremazione di ampiezza attraverso l’array, per ridurre le spie laterali. Questo in genere viene eseguito solo nello stato di ricezione. 
Questo è il modulo T / R areale utilizzato in un radar a matrice attiva a fasi di Euro Typhoon Fighter. A sinistra, questo è solo un componente, un circolatore e, a destra, ci sono alcuni circuiti integrati a microonde monolitici o MMIC, come amplificatori a basso rumore, amplificatori ad alta potenza e dispositivi a semiconduttore a ossido di metallo complementari. Il circolatore, che è un componente magnetico, è costruito separato dagli MMIC. Questo tipo di componenti utilizza materiali magnetici che sfruttano la fisica e la funzionalità uniche non disponibili nei materiali semiconduttori [4]