Bauteile auf Basis von Hohlwellenleitern gehören aus fertigungstechnischer Sicht zu den anspruchsvollsten Klassen von Millimeterwellenkomponenten. Ihre Leistungsfähigkeit hängt entscheidend von der Einhaltung präziser Querschnittsabmessungen, engen Geradheitstoleranzen über große Längen sowie außergewöhnlich glatten Innenoberflächen ab, um HF-Verluste zu minimieren. Diese Anforderungen lassen sich mit steigenden Betriebsfrequenzen und immer kleiner werdenden Wellenleiterabmessungen im Submillimeterbereich immer schwerer erfüllen.
Die in dieser Arbeit vorgestellten Hohlwellenleiterkomponenten wurden von Horizon Microtechnologies mithilfe einer mikropräzisen additiven Fertigung auf Basis der 3D-Drucktechnologie von Boston Micro Fabrication (BMF) hergestellt, gefolgt von Horizons firmeneigenem internem Metallisierungsverfahren. Die Mikro-AM-Plattform von BMF ermöglicht die Herstellung langer, schmaler und im Inneren komplexer Wellenleitergeometrien mit einer Maßgenauigkeit im Mikrometerbereich – Geometrien, deren Herstellung mittels herkömmlicher CNC-Bearbeitung, Split-Block-Konstruktion oder Galvanoplastik äußerst schwierig oder unpraktisch ist.
Mithilfe des hochpräzisen 3D-Drucks lassen sich Wellenleiterkörper als monolithische Polymerstrukturen mit vollständig geschlossenen Innenkanälen herstellen, wodurch die Notwendigkeit von Baugruppen aus geteilten Blöcken und die damit verbundenen Risiken von Fehlausrichtung, Undichtigkeiten an den Verbindungsstellen und montagebedingten HF-Verlusten entfallen. Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft für Bauelemente wie Wellenleiter-Verdrehungen, Orthomode-Wandler und andere verzweigte oder mehrportige Bauelemente – man denke an Koppler oder Multiplexer, bei denen interne Merkmale über die gesamte Länge der Struktur präzise ausgerichtet bleiben müssen.
Nach dem Druck auf der BMF-Plattform bringt Horizon eine konforme Innenmetallisierung auf, die das Innere des Wellenleiters vollständig beschichtet, einschließlich enger Ecken, Verbindungsstellen und ausgedehnter innerer Oberflächen. Die darunterliegenden bedruckten Oberflächen weisen bereits eine sehr geringe Rauheit auf, wodurch die metallisierten Wellenleiter glatte, elektrisch durchgehende Innenwände mit einer Leitfähigkeit erzielen, die mit der von Metallen mit höchster Leitfähigkeit wie Kupfer vergleichbar ist. Diese Kombination ist entscheidend für die Aufrechterhaltung eines geringen Einfügungsverlusts und einer stabilen Modenausbreitung bei Millimeterwellenfrequenzen.
Der hier gezeigte WR3-Orthomodenwandler veranschaulicht diese Fähigkeit. Der Wellenleiterkörper wurde mittels der mikropräzisen additiven Fertigungstechnologie von BMF im 3D-Druckverfahren hergestellt, wodurch die für diesen Frequenzbereich erforderliche kompakte Innengeometrie präzise realisiert werden konnte. Der anschließende Metallisierungsprozess von Horizon gewährleistet eine gleichmäßige Schichtdicke und eine konsistente HF-Leistung über die gesamte Struktur hinweg. Im Vergleich zu herkömmlich gefertigten Wellenleitern ermöglicht dieser Ansatz leichtere Komponenten, eine reduzierte Teileanzahl ohne oder mit nur geringen Montagetoleranzen sowie eine deutlich größere Gestaltungsfreiheit, ohne die elektromagnetische Leistung zu beeinträchtigen.
Durch die Kombination der Präzision der mikroskaligen additiven Fertigung von BMF mit dem Know-how von Horizon in den Bereichen Metallisierung und Anwendungstechnikkönnen auf Hohlwellenleitern basierende Bauelemente mit kürzeren Vorlaufzeiten, geringerem Gewicht und höherer geometrischer Komplexität hergestellt werden, als dies mit herkömmlichen Fertigungsmethoden möglich ist. Dies macht die Präzisions-AM zu einer überzeugenden und serienreifen Lösung für mm-Wellen-Wellenleitersysteme der nächsten Generation in der Luft- und Raumfahrt, der Kommunikation und der wissenschaftlichen Messtechnik.
