01 Introducción
La fabricación aditiva (AM) de cerámicas está revolucionando el diseño y la producción de componentes electrónicos de microondas en sistemas de comunicaciones espaciales. La cerámica es indispensable en dichos dispositivos debido a sus excelentes propiedades electromagnéticas, alta estabilidad térmica y excelente resistencia mecánica. Mediante AM, la forma y las dimensiones de los materiales cerámicos se pueden controlar con precisión, lo que les permite cumplir con los estrictos requisitos de precisión y rendimiento en la electrónica de microondas. Además, los componentes de blindaje electromagnético desempeñan un papel crucial a la hora de reducir la interferencia electromagnética y garantizar una transmisión estable de la señal. El uso de cerámicas fabricadas aditivamente ofrece un nuevo método para optimizar el rendimiento del aislamiento y mejorar la eficacia del blindaje.
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02 Filtros fabricados aditivamente
Los materiales cerámicos exhiben una estabilidad química y una resistencia a la corrosión extremadamente altas, lo que los hace adecuados para su uso a largo plazo-en entornos hostiles como filtros. Además, la integración de materiales dieléctricos con AM promueve una amplia gama de constantes dieléctricas (εr). El mismo material dieléctrico puede alcanzar diferentes valores de εr modificando parámetros como el tamaño de apertura, la geometría y la estructura jerárquica. Esto permite la personalización de filtros cerámicos para cumplir con requisitos específicos y optimizar la eficiencia y precisión del filtrado.
Un ejemplo es un filtro de guía de ondas dieléctrico monolítico fabricado con tecnología de fabricación cerámica (LCM) basada en litografía-. El filtro está diseñado para funcionar a 11,5 GHz con un ancho de banda de 850 MHz y está fabricado a partir de un disco dieléctrico de una sola-pieza, que está plateado-para imitar la funcionalidad de una carcasa metálica convencional. La tecnología LCM proporciona flexibilidad de diseño sin necesidad de moldes personalizados y permite una fabricación más precisa. La metalización de estructuras cerámicas aprovecha la resistencia de la cerámica a las altas temperaturas, la resistencia a la corrosión y las propiedades aislantes, al tiempo que las combina con la resistencia y conductividad de los metales para optimizar el rendimiento.
Figura 1.(a) Filtro de guía de ondas dieléctrica de cuarto-orden, (b) BPF basado en un resonador hemisférico de cuarto-orden, (c) Filtro triplex de banda C-.
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03 Resonadores fabricados aditivamente
Los resonadores son dispositivos electrónicos capaces de oscilar establemente en frecuencias específicas y se utilizan ampliamente en la generación de frecuencias y el procesamiento de señales. Las señales de microondas y de alta-frecuencia se utilizan habitualmente en sistemas de radar y comunicaciones por satélite. La alta estabilidad y el alto factor Q-de los resonadores dieléctricos los hacen ideales para este tipo de aplicaciones.
La funcionalidad de los resonadores dieléctricos se basa en la respuesta de los materiales dieléctricos a las ondas electromagnéticas. La velocidad de propagación de estas ondas está determinada por el εr del material, mientras que el tamaño, la forma y las propiedades del material dieléctrico utilizado en el resonador afectan su frecuencia de resonancia. Con AM, se pueden diseñar y fabricar resonadores dieléctricos para que sean miniaturizados y de alto-rendimiento, adaptados a diversos requisitos. Esto optimiza las características de propagación y reflexión de la señal de radar. Este enfoque permite una producción más personalizada, precisa y rentable-de resonadores dieléctricos.
Figura 2.(a) Esquema de la estructura de la antena, (b) resonador tri-modo, (c) antena resonadora dieléctrica anisotrópica uniaxial.
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04 Sensores fabricados aditivamente
Los sensores AM se benefician de geometrías y arquitecturas complejas y personalizables. Cuando se combinan con las propiedades piezoeléctricas, termoeléctricas y piezoresistivas de los materiales cerámicos, permiten aplicaciones de detección de alta-precisión y alto-rendimiento.
Los sensores cerámicos piezoeléctricos, caracterizados por su exclusivo comportamiento de acoplamiento electromecánico, son cada vez más importantes en el sector aeroespacial. Proporcionan un control preciso de la presión, la temperatura y la vibración, y se utilizan ampliamente para evaluar las condiciones operativas de motores, fuselajes y otros componentes aeroespaciales críticos.
Debido a la fragilidad inherente de la cerámica, el desarrollo de cerámicas flexibles se ha convertido en un foco de investigación clave. Para abordar esto, se desarrolló un sensor de presión compuesto cerámico flexible utilizando DLP AM, combinando BaTiO3 con MWCNT en una resina fotosensible para optimizar el rendimiento dieléctrico y la flexibilidad mecánica. Como se muestra en la figura, se diseñó una estructura de concentración de estrés-en forma de reloj de arena-para mejorar la sensibilidad. Los análisis y experimentos de elementos finitos confirmaron una sensibilidad lineal mejorada en un amplio rango de presión, lo que demuestra la viabilidad del DLP en sensores flexibles de alto-rendimiento.
Figura 3.(a) Sensor de presión capacitivo flexible, (b) compuestos piezoeléctricos flexibles y esquema de un pequeño robot.
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05 Conclusión
La fabricación aditiva de cerámicas permite la personalización de propiedades cerámicas como alta resistencia al calor, baja conductividad térmica y excelente blindaje electromagnético, lo que las hace ideales para aplicaciones aeroespaciales, incluidos sistemas de comunicación, radares y protección térmica. En comparación con la fabricación tradicional, la fabricación aditiva ofrece ventajas significativas para componentes cerámicos complejos, proporcionando una mayor flexibilidad de diseño para crear geometrías intrincadas y estructuras ligeras. Esto es particularmente valioso en el sector aeroespacial, donde la reducción de peso puede mejorar sustancialmente la eficiencia del combustible y el rendimiento.
La AM también admite la integración de componentes, combinando múltiples funciones-como integridad estructural, resistencia térmica y blindaje electromagnético-en una sola pieza, lo que reduce la cantidad de componentes y simplifica el ensamblaje. Además, estas tecnologías permiten la creación rápida de prototipos y ajustes de diseño basados en comentarios sobre el rendimiento.
