Passive 6G‑Kommunikationsverbesserungen mit 3D‑gedruckten Paneelen

Materialwissenschaft ist das Gebiet, das sich mit dem Verständnis von Materialien auf mikroskopischer, oft atomarer Ebene befasst, um sie zu verbessern. Das häufigste Ziel ist es, ein Material stärker zu machen als in seiner klassischen Form, sei es Stahl, Glas oder Keramik.

Metamaterialien gehen einen Schritt weiter, indem sie die Struktur des Materials verändern und ihm andere Eigenschaften verleihen als den Eigenschaften der Grundmaterialien, aus denen es besteht. Dies wird meist erreicht, indem wiederholende Muster mit präziser Form, Geometrie, Größe, Orientierung usw. erzeugt werden.

Solche Metamaterialien können verwendet werden, um Daten zu codieren, skalierbare Quantenlichtquellen zu erzeugen, selbstassemblierende Strukturen mit DNA zu schaffen und können sogar 3D‑Laser‑gedruckt werden

Die meisten passiven Metasurfaces funktionieren gut nur für eine Polarisation, ein Frequenzband oder einen Einfallswinkel, was ihre praktische Anwendung einschränkt.

Ein neues Design namens Metakristalle, das mit einer Form des 3D‑Drucks erstellt wurde, wird von Forschern der Aalto‑Universität (Finnland) und der Stanford‑Universität (USA) vorgeschlagen, das „hochkomplexe, multiplexe Reaktionen auf mehrere einfallende Wellen gleichzeitig und unabhängig ermöglichen“ kann.

Es wurde in Nature Communications¹, unter dem Titel “Metacrystals: inversely-designed 3D-printed intelligent panels for 6G communication” veröffentlicht. Diese Entdeckung könnte wichtige Anwendungen in der 6G‑Telekommunikation und anderen drahtlosen Systemen zu geringen Kosten haben.

Metakristall für 6G‑Telekommunikation

Anwendungen in 6G‑Technologie

6G‑Telekommunikation verspricht höhere Datenraten, verbesserte Energieeffizienz und geringere Latenz, indem Frequenzen wie Millimeter‑ (mm‑)Wellen und Sub‑THz‑Bänder genutzt werden. Diese Funkfrequenzen bieten großes Potenzial für die Datenübertragung, bringen jedoch eigene Herausforderungen mit sich: hohe atmosphärische Dämpfung, Freiraum‑Path‑Loss und stärkere Streueffekte bei Hindernissen.

Dies zwingt Ingenieure, für die Kommunikation auf gerichtete Strahlen zu setzen, anstatt auf traditionelle Mehrweg‑Propagation.

Quelle: ResearchGate

Dank ihrer einzigartigen Reflexions‑ oder Brechungseigenschaften könnten Metasurfaces strategisch an Wänden, Decken und sogar Fenstern positioniert werden, um die Signalabdeckung sowohl drinnen als auch draußen erheblich zu verbessern.

Insbesondere sind passive Designs attraktiv, weil sie keine Stromversorgung benötigen und kostengünstig hergestellt werden können. Dies gilt besonders, da programmierbare Metasurfaces sich bisher als zu teuer für eine breite Einführung erwiesen haben, zusätzlich zu ihrem großen physischen Fußabdruck (etwa ein Quadratmeter).

„Obwohl der traditionelle Designansatz drei separate intelligente Oberflächen erfordern würde, um die angegebenen Funktionen abzudecken, kann der vorgeschlagene Metakristall all diese ersetzen, den Einsatzfußabdruck reduzieren, den Materialverbrauch minimieren und mögliche Interferenzprobleme vermeiden.“

Idealerweise wäre das perfekte Metamaterial eine intelligente Oberfläche, die effektiv über beide Signalpolarisationen, mehrere Frequenzbänder, verschiedene Ankunftswinkel und sogar gleichzeitig arbeiten kann.

Was sind Metakristalle?

Das in dieser Studie vorgeschlagene Material, Metakristalle, sind „all-dielectric binarized composites“.

Im Wesentlichen bedeutet dies, dass ein passiver Metakristall ein Signal empfangen und mit minimalem Verlust oder Energieverbrauch in eine andere Richtung wieder abstrahlen kann, wodurch er ein perfekter Repeater für Telekommunikationssignale wie 6G ist, die sonst, besonders in städtischen Umgebungen, blockiert würden.

Quelle: Nature Communications

„Die passive, fertigungsgünstige Natur des Metakristalls macht ihn zu einem attraktiven Kandidaten für die Integration in statische Infrastrukturen, bei denen niedrige Kosten, geringer Stromverbrauch und hohe Richtungssteuerung Priorität haben.“

Der Begriff selbst leitet sich von dieser Materialähnlichkeit zu sowohl photonischen Kristallen (die mehrere Beugungsordnungen unterstützen) als auch Metamaterialien (mit stark subwellenlängen‑kleinen Bausteinen) ab.

Herstellung von Metakristallen

Die Forscher erstellten drei Demonstratoren, um zu beweisen, dass das Konzept mit einem realen Beispiel machbar ist und um die Fertigungsmethoden zu testen.

Das Design selbst nutzte viele komplexe Techniken, die bereits für die Herstellung von Metamaterialien verwendet werden, wie die inverse Design‑Methode mittels adjungierter Topologieoptimierung.

Für die ersten beiden Demonstratoren verwendeten sie „Graustufen‑Permittivitätsverteilungen“, also eine langsame Variation der Eigenschaften des Kristalls über seine Oberfläche.

Quelle: Nature Communications

Der dritte Demonstrator wurde mittels 3D‑Druck gefertigt. Die Forscher fügten dünne Trägerschichten hinzu, um die strukturelle Integrität zu gewährleisten und ihn für die Umsetzung mit bestehenden 3D‑Druck‑Möglichkeiten geeignet zu machen.

Metakristalle können für viele verschiedene Frequenzen ausgelegt werden, aber die Forscher konzentrierten sich auf den Bereich um 100 GHz, der für die Telekommunikation nützlich ist: 100 GHz, 99 GHz und 102,53 GHz.

„Der demonstrierte Einzudüsen‑, kostengünstige FDM‑Fertigungsweg ist direkt bis zu ~ 100 GHz anwendbar, was bereits die am häufigsten diskutierten, kurzfristig 6G‑relevanten Spektrumsbereiche abdeckt, einschließlich des Millimeter‑Wellen‑Spektrums im Bereich 24–71 GHz.“

Mehrlagige Metakristalle für mehrere Signale

Ein grundlegender Vorteil der hier verwendeten Metakristalle besteht darin, dass sie nicht nur als Richtstrahl‑Re‑Emitter funktionieren, sondern gleichzeitig mit mehreren Signalen arbeiten können, wodurch ein solcher Re‑Emitter als Antenne deutlich nützlicher wird.

Winkel von 0°, 20° und 45° wurden gewählt, um das Konzept zu testen. Aber auch andere Zahlen oder weitere Winkel hätten möglich sein können.

„Die Anzahl gleichzeitiger Funktionalitäten ist nicht grundlegend begrenzt. Eine größere Zahl erfordert typischerweise einen Metakristall mit größerer Dicke. Dieses Beispiel zeigt daher, dass wir die Ankunftswinkel verschiedener Sender unabhängig auswählen können.“

3D‑Druck von Antennen

Durch den Einsatz von 3D‑Druck für den dritten Prototypen wollten die Forscher eine polarisationsempfindliche Reaktion im resultierenden Metakristall erzeugen, da dies in vielen praktischen Situationen ein wesentliches Merkmal ist.

Um die Fertigung einfach zu halten, verwendeten sie während der Herstellung nur ein Material, Polyacrylsäure (UltiMaker PLA in Silberfarbe), und wechselten es räumlich mit Luftspalten ab (da Luft eine andere Permittivität hat).

Andere kommerziell verfügbare Drucker‑Filament‑Materialien könnten ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel Filamente wie „Zetamix ε“ (ein 3D‑Druck‑Filament von Nanoe, das speziell für Funkfrequenz‑ (RF‑) und Mikrowellen‑Anwendungen entwickelt wurde) besitzen ebenfalls eine gute Permittivität.

Diese Methoden eröffnen Wege zu verlustarmen und kostengünstigen Fertigungsoptionen solcher Metakristalle, die wahrscheinlich deutlich günstiger sind als herkömmliche Antennen und andere Metamaterialien.

Testen von Telekommunikation

Um die reale Leistungsfähigkeit ihrer Metakristall‑Antennen zu testen, nutzten die Forscher einen speziellen Messraum (echofrei). Die Leistung wurde in einem Nicht‑Sicht‑Szenario getestet.

Um ein Umfeld zu erhalten, das den realen Bedingungen näher kommt, wurden mehrere Stützgestelle in der echolosen Kammer ohne Absorber belassen, wodurch zusätzliche Streuquellen eingeführt wurden.

Die Anwesenheit der Metakristall‑Antenne erhöht die resultierende Signalstärke erheblich.

Quelle: Nature Communications

Großes Potenzial

Obwohl hauptsächlich für 6G und eine spezifische Frequenz getestet, kann die in dieser Studie beschriebene Methode deutlich vielseitiger sein.

Zum Beispiel würde die Erweiterung von Metakristallen auf Sub‑THz‑ und THz‑Frequenzen hauptsächlich eine höherauflösende Fertigung erfordern, mit anderen Kosten‑/Durchsatz‑Abwägungen als dem hier genutzten kostengünstigen FDM‑Verfahren.

Diese höhere Präzision kann bis zur Zwei‑Photon‑Polymerisations‑Mikrofabrikation reichen, bei der die Kontrolle der Merkmalgröße bis zu ~ 100 nm möglich ist.

Der Ansatz ist vollständig mit konventioneller 3D‑Druck‑Fertigung kompatibel, was ihn skalierbar, kosteneffizient und für die Massenproduktion geeignet macht.

Beispielsweise schätzen die Forscher, dass die Fertigungskosten (Verbrauchsmaterialien) eines Metakristalls mit einer ähnlichen Oberfläche wie die Prototypen in der Studie nur 15 $ betragen.

In praktischen Installationen könnte das Metakristall‑Panel für Umweltbeständigkeit verpackt werden, zum Beispiel durch eine Verkapselungsschicht, und durch routinemäßige Wartung unterstützt werden, um seine langfristige Leistung zu erhalten.

Investitionen in 3D‑gedruckte Telekommunikationsmaterialien

Nano Dimension

Diese Studie ist nur eine von vielen, die zeigen, dass 3D‑Druck viel mehr potenzielle Anwendungen hat als seltene komplexe Teile oder Prototypen. Durch die Schaffung einer hochreplizierbaren und aufwendigen Struktur, die eine Form niemals erreichen könnte, kann er günstiges Material wie Kunststoff‑Filamente in ein Wunder‑Material für die Telekommunikation verwandeln. Das Überbrücken der Lücke zwischen kostengünstigen akademischen Prototypen und kommerzieller Massenproduktion bleibt jedoch ein komplexes Hindernis, das intensive Aufmerksamkeit auf industrielle Marktführer lenkt.

Nano Dimension begann mit einem Fokus auf 3D‑gedruckte Elektronik und war Vorreiter bei Additively Manufactured Electronics (AME), um komplexe räumliche Geometrien zu bewältigen. Diese Position entwickelte sich, als das Unternehmen in reinen Bar‑Transaktionen im Jahr 2025 nacheinander seine Konkurrenten Desktop Metal und Markforged übernahm. Dadurch wurden dem Angebot des Unternehmens viele neue Materialien, darunter hochtolerante Metalle, hinzugefügt und halfen, den Markt für 3D‑gedruckte Elektronik zu konsolidieren.

Dies schuf zudem Skaleneffekte durch die Zusammenführung der Kundenbasis, zu der SpaceX, Tesla, GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics usw. gehören.

Schließlich waren die übernommenen Unternehmen hauptsächlich in unterschiedlichen geografischen Regionen aktiv, wobei Nano Dimension in Europa und Desktop Metal in den USA tätig waren, was durch die Zusammenlegung ihrer Vertriebsteams Synergien ermöglichte.

Quelle: Nano Dimension

Dennoch hat sich das Skalieren der proprietären Nanopartikel‑Technologie, um mit ultra‑kostengünstigen Alternativen zu konkurrieren, als erhebliche finanzielle Belastung erwiesen. Vorläufig konzentriert sich das Unternehmen darauf, die kommerziellen Wirtschaftlichkeitsaspekte seiner Multi‑Material‑Plattformen zu beweisen und einen allgemeinen Wandel von der Integration der M&A‑Aktionen von 2025 hin zur Skalierung einer einheitlichen Technologieplattform in seinen globalen Märkten zu bewältigen.

Investoren sollten sich bewusst sein, dass das Unternehmen seit langem Schwierigkeiten hat, ein positives Nettoergebnis zu erzielen, was die breiteren makroökonomischen Herausforderungen und operativen Gegenwinde im industriellen Additive‑Manufacturing‑Sektor widerspiegelt.

Im ersten Quartal 2026 steigerte Nano Dimension seine Umsätze um 106 % gegenüber dem Vorjahr auf 29,7 M $, und verzeichnete einen Verlust von 12,5 M $ im bereinigten EBITDA sowie einen Nettoverlust von 69,7 M $. Es hielt 441,6 M $ in bar und anderen liquiditätsäquivalenten Vermögenswerten.

Damit wird die Zukunft der Aktie des Unternehmens eng mit seiner Fähigkeit verknüpft sein, fortschrittliche Strukturingenieure in nachhaltige kommerzielle Einnahmen umzuwandeln, während es seine Position als Technologieführer in einem sich schnell entwickelnden Markt verteidigt.

Neueste Nano Dimension (NNDM) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert

^{1. Mohammad M. Asgari, et al. Metacrystals: inversely-designed 3D-printed intelligent panels for 6G communications. Nature Communications 17, 4912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73019-x}