基于多材料<strong>3D</strong>打印技术的<strong>RFID</strong>天线快速制造

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041

工程设计学报

2023, Vol. 30

Issue (3): 288-296 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041

机械设计理论与方法

基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造

官俊¹(

),丁医华¹,葛青涛¹,赵帅¹,陆杨¹,张婕^1,²(

)

^1.江南大学机械工程学院，江苏无锡 214122
^2.江苏省食品先进技术装备重点实验室，江苏无锡 214122

Rapid manufacturing of RFID antennas based on multi-material 3D printing technology

Jun GUAN¹(

),Yihua DING¹,Qingtao GE¹,Shuai ZHAO¹,Yang LU¹,Jie ZHANG^1,²(

)

^1.School of Mechanical Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China
^2.Jiangsu Province Key Laboratory of Advanced Food Technology and Equipment, Wuxi 214122, China

全文: PDF(3953 KB) HTML

摘要：

为了保护RFID（radio frequency identification，射频识别）天线，避免其接触外部环境而氧化、腐蚀，以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性，需要将RFID天线放置在产品结构表面或产品内部。为了快速制造这类产品，搭建了一台集成熔融沉积成形（fused deposition modeling, FDM）和直写成形（direct ink writing, DIW）这2种3D打印技术的多材料3D打印机，其可打印面积为220 mm×190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响；然后，选取4种RFID天线作为3D打印对象，使用导电银浆和聚乳酸（polylactic acid, PLA）分别作为天线和基板的打印材料，并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示，4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果，进一步优化天线模型，并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线，其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性，为RFID天线的快速制造提供了参考，该工艺具有广阔的应用前景。

关键词： 多材料; 射频识别天线; 熔融沉积成形; 直写成形; 快速制造

Abstract:

In order to protect the RFID (radio frequency identification) antenna from oxidation and corrosion due to contact with the external environment, and to improve the anti-counterfeiting, integrity and aesthetics of the product, it is necessary to place the RFID antenna on the surface of the product structure or inside the product. In order to rapidly manufacture these products, a multi-material 3D printer integrating fused deposition modeling (FDM) and direct ink writing (DIW) 3D printing technologies was built, with a printable area of 220 mm×190 mm. The influence of antenna structure and substrate structure on the radiation performance of RFID antennas was analyzed by ANSYS HFSS simulation software. Then, four types of RFID antennas were selected as 3D printing objects, and conductive silver paste and polylactic acid (PLA) were used as printing materials for the antenna and substrate, respectively. The measured and simulated curves of the return loss of the antenna print were compared. The results showed that the resonant frequencies of the four types of RFID antennas had shifted approximately 185 MHz in the low-frequency direction relative to their design frequency of 915 MHz. Based on the measurement results of the return loss of antenna prints, the antenna model was further optimized and an embedded RFID antenna with a substrate thickness of 3 mm and an antenna arm length of 55 mm was printed, which met the design requirements of resonant frequency of 915 MHz and bandwidth greater than 150 MHz at ?10 dB. The research results verify the feasibility of integrated printing of RFID antennas and product bodies by using multi-material 3D printing technology and provide a reference for the rapid manufacturing of RFID antennas. This process has broad application prospects.

Key words: multi-material radio frequency identification antenna fused deposition modeling direct ink writing rapid manufacturing

收稿日期: 2022-11-29 出版日期: 2023-07-06

CLC:

TH 122

基金资助: 江苏省产业前瞻竞争性项目(BE2017069)

通讯作者: 张婕 E-mail: 804768109@qq.com;jiezhang@jiangnan.edu.cn

作者简介: 官俊（1999—），男，安徽颍上人，硕士生，从事3D打印系统开发以及RFID天线设计研究，E-mail: 804768109@qq.com，https://orcid.org/0000-0001-6018-0697

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引用本文:

官俊,丁医华,葛青涛,赵帅,陆杨,张婕. 基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造[J]. 工程设计学报, 2023, 30(3): 288-296.

Jun GUAN,Yihua DING,Qingtao GE,Shuai ZHAO,Yang LU,Jie ZHANG. Rapid manufacturing of RFID antennas based on multi-material 3D printing technology[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2023, 30(3): 288-296.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2023/V30/I3/288

图1 RFID天线一体化打印方案

图2 多材料3D打印机框架结构

图3 FDM打印喷头

图4 DIW打印喷头

图5 MKS Monster8控制板及其线路连接

表1 打印喷头的参数设置

图6 Klipper固件中DIW打印喷头的参数设置程序

图7 多材料3D打印机实物及其打印精度测试结果

图8 2款RFID天线模型

图9 基板厚度和天线臂长对RFID天线谐振频率的影响

图10 4种RFID天线的回波损耗仿真曲线对比

图11 RFID天线打印工艺

图12 4种RFID天线打印件及部分天线的X射线透射照片

图13 RFID天线测量夹具及测量现场

天线	f₀/MHz	B/MHz	$B f 0$ /％	G/dB	ρ
天线1	739.93	144.65	19.55	-16.12	1.331
天线2	736.46	163.58	22.21	-18.76	1.323
天线3	750.35	134.66	17.95	-18.79	1.064
天线4	740.96	147.75	19.94	-29.66	1.025

表2 4种RFID天线的辐射性能参数测量结果

图14 4种RFID天线回波损耗的实测曲线与仿真曲线对比

图15 优化后的RFID天线打印件及其回波损耗实测曲线

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