Passieve 6G-communicatieverbeteringen met 3D-geprinte panelen

Materiaalkunde is het domein van het begrijpen van materialen op microscopisch, vaak atomair, niveau om ze te verbeteren. Het meest voorkomende doel is om een materiaal sterker te maken dan in zijn klassieke vorm, of het nu staal, glas of keramiek is.

Metamaterialen gaan een stap verder door de structuur van het materiaal te veranderen, waardoor het andere kenmerken krijgt dan de eigenschappen van de basismaterialen waaruit het bestaat. Dit wordt meestal bereikt door herhalende patronen van precieze vorm, geometrie, grootte, oriëntatie, enzovoort te creëren.

Dergelijke metamaterialen kunnen om data te coderen, schaalbare kwantumlichtbronnen, zelf-assemblerende structuren met DNA te maken, en kunnen zelfs 3D-lasergeprint zijn.

De meeste passieve metasurfaces werken goed slechts voor één polarisatie, frequentieband of invalshoek, wat hun praktische gebruik beperkt.

Een nieuw ontwerp genaamd metacrystals, gecreëerd met een vorm van 3D-printen, wordt echter voorgesteld door onderzoekers van de Aalto University (Finland) en de Stanford University (USA), die “hoog complexe gemultiplexte reacties op meerdere invalgolven gelijktijdig en onafhankelijk kunnen mogelijk maken”.

Het werd gepubliceerd in Nature Communications¹, onder de titel “Metacrystals: omgekeerd ontworpen 3D-geprinte intelligente panelen voor 6G-communicatie”. Deze ontdekking zou belangrijke toepassingen kunnen hebben in 6G-telecom en andere draadloze systemen, tegen lage kosten.

Metacrystal voor 6G Telecom

Toepassingen in 6G-technologie

6G-telecom belooft hogere datasnelheden, verbeterde energie-efficiëntie en lagere latentie door gebruik te maken van frequenties zoals millimetergolven (mm) en sub-THz-banden. Deze radiogolven bieden veel potentieel voor datatransmissie, maar brengen hun eigen uitdagingen met zich mee: hoge atmosferische attenuatie, vrije-ruimte padverlies en hardere verstrooiingseffecten bij obstakels.

Dit dwingt ingenieurs om te vertrouwen op directionele stralen voor communicatie in plaats van traditionele multipath-propagatie.

Bron: ResearchGate

Dankzij hun unieke reflectie- of brekings-eigenschappen kunnen metasurfaces strategisch worden geplaatst op muren, plafonds en zelfs ramen om zowel binnen- als buitensignaaldekking aanzienlijk te verbeteren.

Met name passieve ontwerpen zijn aantrekkelijk omdat ze geen stroomvoorziening nodig hebben en tegen lage kosten kunnen worden vervaardigd. Dit is vooral het geval omdat programmeerbare metasurfaces tot nu toe te duur zijn gebleken voor brede adoptie, naast hun grote fysieke voetafdruk (ongeveer één vierkante meter).

“Hoewel de traditionele ontwerpbenadering drie afzonderlijke intelligente oppervlakken zou vereisen om de gespecificeerde functionaliteiten te dekken, kan de voorgestelde metacrystal ze allemaal vervangen, waardoor de inzetvoetafdruk wordt bespaard, het materiaalgebruik wordt geminimaliseerd en mogelijke interferentieproblemen worden vermeden.”

Ideaal zou het perfecte metamateriaal een intelligent oppervlak zijn dat effectief kan functioneren over zowel signaalpolarisaties, meerdere frequentiebanden, verschillende invalshoeken, en zelfs allemaal tegelijk.

Wat zijn Metacrystals?

Het in deze studie voorgestelde materiaal, metacrystals, zijn “all-dielectric binarized composites”.

In wezen betekent dit dat een passieve metacrystal een signaal kan ontvangen en in een andere richting kan heruitzenden met minimale verlies of energieverbruik, waardoor het een perfecte relais is voor telecommunicatiesignalen zoals 6G die anders mogelijk geblokkeerd zouden worden, vooral in een stedelijke omgeving.

Bron: Nature Communications

“De passieve, fabricagevriendelijke aard van de metacrystal maakt het een aantrekkelijke kandidaat voor integratie in statische infrastructuur, waar lage kosten, laag stroomverbruik en hoge directionele controle prioriteit hebben.”

De term zelf is afgeleid van deze materiaalsimilariteit met zowel fotonische kristallen (die meerdere diffractieorders ondersteunen) als metamaterialen (met diep sub-golf-lengte bouwblokken).

Metacrystals maken

De onderzoekers creëerden drie demonstrators om aan te tonen dat het concept levensvatbaar was met een praktijkvoorbeeld en om de productiemethoden te testen.

Het ontwerp zelf maakte gebruik van vele complexe technieken die al worden gebruikt voor de productie van metamaterialen, zoals de inverse-ontwerpmethode met adjoint-gebaseerde topologie-optimalisatie.

Voor de eerste twee demonstrators gebruikten ze “grayscale permittivity distributions”, oftewel het langzaam variëren van de eigenschappen van het kristal over het oppervlak.

Bron: Nature Communications

De derde demonstrator werd vervaardigd met behulp van 3D-printen. De onderzoekers voegden dunne ondersteunende lagen toe om de structurele integriteit te waarborgen en om het geschikt te maken voor implementatie met bestaande 3D-printcapaciteiten.

Metacrystals kunnen worden ontworpen om aan vele verschillende frequenties te voldoen, maar de onderzoekers richtten zich op het gebied rond 100 GHz, wat nuttig is voor telecommunicatie: 100 GHz, 99 GHz en 102,53 GHz.

“De aangetoonde single-nozzle, low-cost FDM-fabricageroute is direct toepasbaar tot ongeveer 100 GHz, wat al de meest besproken kortetermijn 6G-relevante spectraumbereiken dekt, inclusief het mm-wave spectrum in het bereik van 24–71 GHz.”

Multi-laags Metacrystals voor Meerdere Signalen

Een fundamenteel voordeel van de hier gebruikte metacrystals is dat ze niet alleen functioneren als heruitzenders in een nauw gerichte richting, maar ook met meerdere signalen tegelijk kunnen werken, waardoor een gegeven heruitzender veel nuttiger wordt als antenne.

Hoeken van 0°, 20° en 45° werden gekozen om het concept te testen. Maar elk ander aantal of meer hoeken zouden ook mogelijk zijn geweest.

“Het aantal gelijktijdige functionaliteiten is niet fundamenteel beperkt. Een groter aantal vereist doorgaans een metacrystal met grotere dikte. Dit voorbeeld illustreert dus dat we de invalshoeken van verschillende zenders onafhankelijk kunnen selecteren.”

3D-printen van Antennes

Door 3D-printen te gebruiken voor het derde prototype, wilden de onderzoekers een polarisatie-ongevoelige respons creëren in de resulterende metacrystal, aangezien dit een essentiële eigenschap is in veel praktische situaties.

Om de productie eenvoudig te maken, gebruikten ze tijdens de fabricage slechts één materiaal, polyacrylic acid (UltiMaker PLA in zilverkleur), en wisselden dit ruimtelijk af met luchtgaten (aangezien lucht een andere permittiviteit heeft).

Andere commercieel verkrijgbare printerfilamentmaterialen kunnen ook worden gebruikt, bijvoorbeeld filamenten zoals “Zetamix ε” (een 3D-printfilament van Nanoe, specifiek ontworpen voor radiofrequentie (RF) en microgolftoepassingen) hebben ook een goede permittiviteit.

Deze methoden openen de weg naar verliesarme en goedkope fabricageopties voor dergelijke metacrystals, waarschijnlijk veel goedkoper dan traditionele antennes en andere metamaterialen.

Telecommunicatie testen

Om de prestaties in de echte wereld van hun metacrystal-antennes te testen, gebruikten de onderzoekers een speciale meetkamer (zonder echo). De prestaties werden getest in een non-line-of-sight scenario.

Om een omgeving dichter bij de realiteit te behouden, werden verschillende ondersteunende standaarden in de anechoïsche kamer onbedekt gelaten met absorbers, waardoor extra verstrooiingsbronnen werden geïntroduceerd.

De aanwezigheid van de metacrystal-antenne verhoogt de resulterende signaalsterkte aanzienlijk.

Bron: Nature Communications

Groot Potentieel

Hoewel voornamelijk getest voor 6G en een specifieke frequentie, kan de in deze studie beschreven methode veel veelzijdiger zijn.

Bijvoorbeeld, het uitbreiden van metacrystals naar sub-THz- en THz-frequenties zou voornamelijk hogere resolutie in de productie vereisen, met andere kosten/doorvoersnelheid-afwegingen dan de hier gebruikte low-cost FDM-route.

Deze grotere precisie kan oplopen tot twee-foton polymerisatie-microfabricage, waarbij controle over kenmerkafmetingen tot ongeveer 100 nm beschikbaar is.

De aanpak is volledig compatibel met conventionele 3D-printproductie, waardoor het schaalbaar, kosteneffectief en geschikt voor massaproductie is.

Bijvoorbeeld, schatten de onderzoekers dat de fabricagekosten (verbruiksmaterialen) van een metacrystal met een oppervlak vergelijkbaar met de prototypes in de studie slechts $15 bedragen.

In praktische installaties kan het metacrystalpaneel worden verpakt voor milieuduurzaamheid, bijvoorbeeld door een encapsulatielaag te gebruiken, en ondersteund worden door routinematig onderhoud om de langdurige prestaties te behouden.

Investeren in Telecom 3D-geprinte Materialen

Nano Dimension

Deze studie is slechts één van de vele die aantonen dat 3D-printen veel meer potentiële toepassingen heeft dan zeldzame complexe onderdelen of prototyping. Door een zeer repliceerbare en uitgebreide structuur te creëren die een mal nooit kan, kan het goedkope materiaal zoals plastic filamenten omzetten in een wondermateriaal voor telecommunicatie. Het overbruggen van de kloof tussen goedkope academische prototypes en commerciële massaproductie blijft echter een complexe hindernis, waardoor de aandacht sterk wordt gericht op industriële marktleiders.

Nano Dimension (NNDM ) begon met een focus op 3D-geprinte elektronica, en was pionier op het gebied van Additively Manufactured Electronics (AME) om complexe ruimtelijke geometrieën te verwerken. Deze positie evolueerde toen het in opeenvolgende all-cash transacties in 2025 zijn concurrenten Desktop Metal en Markforged verwierf. Dit voegde veel nieuwe materialen toe, waaronder hoogtolerante metalen, aan het aanbod van het bedrijf, en hielp het de 3D-geprinte elektronicamarkt te consolideren.

Dit creëerde ook schaalvoordelen door de klantenbasis te combineren, die onder andere SpaceX (SPCX ), Tesla (TSLA ), GE, Honeywell, Emerson, Raytheon, NASA, Medtronics, enz. omvat.

Ten slotte waren de overgenomen bedrijven voornamelijk actief in verschillende geografische gebieden, met Nano Dimension in Europa en Desktop Metal in de VS, waardoor synergie mogelijk werd door hun verkoopteams te combineren.

Bron: Nano Dimension

Het opschalen van propriëtaire nanodeeltechnologie om te concurreren met ultra-kosteneffectieve alternatieven blijkt echter een zware financiële inspanning te zijn. Voorlopig blijft het bedrijf zich richten op het aantonen van de commerciële economie van zijn multi-materiaalplatforms, en navigeert het een algemene verschuiving van de integratie van de overnames uit 2025 naar het opschalen van een uniform technologieplatform over zijn wereldwijde markten.

Investeerders moeten zich ervan bewust zijn dat het bedrijf al lange tijd moeite heeft om een positief netto-inkomen te realiseren, wat de bredere macro-economische uitdagingen en operationele tegenwind weerspiegelt waarmee de industriële additive manufacturing sector wordt geconfronteerd.

In Q1 2026 zag Nano Dimension zijn omzet met 106% jaar-op-jaar groeien tot $29,7 M, en registreerde een verlies van $12,5 M in aangepaste EBITDA en een nettoverlies van $69,7 M. Het beschikte over $441,6 M aan contanten en andere liquide activa die gelijkwaardig zijn aan contanten.

Dus de toekomst van het aandeel van het bedrijf zal nauw verbonden zijn met zijn vermogen om geavanceerde structurele engineering om te zetten in duurzame commerciële inkomsten, terwijl het zijn positie als technologieleider in een snel evoluerende markt verdedigt.

Laatste Nano Dimension (NNDM) Aandelen Nieuws en Ontwikkelingen

Gerefereerde Studie

^{1. Mohammad M. Asgari, et al. Metacrystals: omgekeerd ontworpen 3D-geprinte intelligente panelen voor 6G-communicatie. Nature Communications 17, 4912 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73019-x}