一種衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩凝膠成型模具的設(shè)計與3D打印

蔣三生 ，周 洋

(1. 北京農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院，北京 102208；2. 北京交通大學(xué)，北京 100044)

0 引 言

衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩是用于保護(hù)移動天線及其通訊系統(tǒng)能夠正常工作的重要設(shè)備，天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅需要考慮其技術(shù)性(透波性)，還要兼顧安全性、美觀性、耐用性等指標(biāo)。衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩通常選擇介電常數(shù)較小的非金屬材料，這種材料的無線電波穿透能力較強(qiáng)，反射少，不會產(chǎn)生較大的損耗。石英陶瓷具有介電常數(shù)和介電損耗角正切小且穩(wěn)定，優(yōu)良的電氣絕緣和透波性能、耐雨蝕、線脹系數(shù)小、熱震穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是復(fù)雜環(huán)境下衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩(如導(dǎo)彈和雷達(dá)天線罩等)的常用材料[1-2]。

使用石英陶瓷作為天線罩的材料時，為了得到更好的綜合性能，可以采用凝膠注模成型技術(shù)來制備天線罩坯體，這不僅可以提高石英陶瓷坯體的質(zhì)量，還能解決天線罩結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難以成型的技術(shù)難題[3]。針對各種形狀的衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩，其傳統(tǒng)模具的設(shè)計和制造周期長、成本高，非常不利于天線罩的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計，而3D打印作為一種新型的模具制造工藝，近年來發(fā)展迅速，能應(yīng)用于醫(yī)療、建筑、美術(shù)、航天等領(lǐng)域。因此，利用3D打印技術(shù)完成衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩凝膠成型模具的制造，將極大的縮短研發(fā)和制造周期，降低研究成本，提高工作效率，為衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新和優(yōu)化設(shè)計等提供幫助。

針對天線罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究，文獻(xiàn)[4]利用三維制圖軟件對球狀天線罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)了三維設(shè)計，并將模型導(dǎo)入天線分析軟件下對天線罩進(jìn)行電磁特行分析，測定該波段內(nèi)的電磁波在穿過某種典型媒質(zhì)半波長夾層時的介電損耗和透波系數(shù)；文獻(xiàn)[5]對某動中通天線罩進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，提高其防水密封和通風(fēng)散熱等性能，增加穩(wěn)定性和可靠性；文獻(xiàn)[6]基于徑向基函數(shù)RBF技術(shù)，利用求反技術(shù)得到天線罩模具的復(fù)雜曲面和三維造型。基于3D打印技術(shù)在模具制造領(lǐng)域的研究情況，文獻(xiàn)[7]提出了一種基于光固化成型技術(shù)的渦輪葉片快速制造方法，能根據(jù)渦輪葉片的結(jié)構(gòu)特點設(shè)計蠟?zāi)Ｄ＞呒捌淅鋮s結(jié)構(gòu)，采用光固化成型技術(shù)制造模具型殼和內(nèi)植冷卻流道，基于凝膠注模方法將氧化鋁等陶瓷粉末填充于模具內(nèi)腔，實現(xiàn)了渦輪葉片蠟?zāi)Ｄ＞叩目焖僦圃?；文獻(xiàn)[8]對注塑模具中的圓柱、矩形結(jié)構(gòu)，采用選擇性激光熔化(SLM)方式進(jìn)行了3D打印。

1 模具設(shè)計及工作流程

1.1 衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩的模型獲取及精度分析

以某型號衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩的實物為研究案例，通過三維掃描技術(shù)獲得其外表面的點云數(shù)據(jù)，重構(gòu)天線罩外表面的曲面模型，再根據(jù)實測的壁厚尺寸設(shè)計整體的三維模型，其最終的零件結(jié)構(gòu)如圖1所示，天線罩底座的外徑為Φ436 mm，開口內(nèi)徑為Φ420 mm，外部球面的直徑為Φ370 mm，總體高度為300 mm，球面壁厚為5 mm。

圖1 天線罩零件圖Fig.1 Drawing of radome

利用Geomagic Control軟件，將優(yōu)化后的掃描點云數(shù)據(jù)與三維理論模型進(jìn)行了3D偏差對比分析(偏差范圍設(shè)為± 0.01 m)，結(jié)果見圖2和表1所示。圖2顯示了3D對比的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0011 m，正偏差平均值為+0.0009 m，負(fù)偏差平均值為-0.0010 m。表1統(tǒng)計了偏差范圍內(nèi)點云個數(shù)及百分比，精度在-0.0026 m ～ +0.0026 m之間的點云占比達(dá)到99.3923%。通過以上數(shù)據(jù)可知，三維逆向掃描的精度較高，標(biāo)準(zhǔn)偏差與零件最大尺寸之比為0.0025，即總體線性誤差僅為0.25%。

1.2 凝膠成型模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計

衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩一般呈現(xiàn)為圓錐型、半圓球型、刀型等結(jié)構(gòu)特征，具備軸對稱或回轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)屬性。設(shè)計圖1所示衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩的結(jié)構(gòu)尺寸時，可將天線罩近似的看成是一個半球和一個圓柱組成的薄壁件(見圖3)，考慮石英陶瓷坯體凝膠注模成型時的工藝特點(濕坯的干燥收縮率η1為10-13vol%[9])，以及坯體燒結(jié)前后的體積變化(收縮率η2為1-5vol%[10-11])，再參照天線罩球面內(nèi)、外徑的尺寸，由公式(1)計算成型模具內(nèi)模的球面半徑r1，由公式(2)計算成型模具外模的球面半徑r2?？紤]體積收縮變化時，假定天線罩薄壁件的體積中心線不發(fā)生位移，兩側(cè)的體積往中心線收縮。

圖2 3D比較偏差色譜圖Fig.2 Chromatography of deviation by 3D comparing

表1 不同偏差范圍內(nèi)的點云數(shù)量統(tǒng)計Tab.1 Statistics of point clouds in different deviation ranges

式中，η為收縮率，取η1和η2的平均值；R為天線罩球面的中心線半徑；h為天線罩底端圓柱的高度；R1為天線罩球面的內(nèi)徑；R2為天線罩球面的外徑；r1為天線罩內(nèi)模的球面半徑；r2為天線罩外模的球面半徑。

模具的具體裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示，圖中Ⅰ為內(nèi)模部分，Ⅱ為外模左側(cè)部分，Ⅲ為外模右側(cè)部分，Ⅳ為料漿倒入口；整個模具均為薄壁件，內(nèi)、外模的抽殼厚度均為8 mm。

圖3 天線罩簡化示意圖Fig.3 Simpli fi ed drawing of radome

圖4 天線罩凝膠成型模具三維模型Fig.4 Three-dimensional model of the gelcasting mould for radome

1.3 凝膠注模成型的原理及流程

1.3.1 單體聚合原理

單體是指形成聚合物結(jié)構(gòu)單元的小分子化合物，由低分子單體合成聚合物的反應(yīng)成為聚合反應(yīng)，分為鏈?zhǔn)骄酆虾椭鸩骄酆蟽深?。本實驗研究所用的單體丙稀酰胺，其反應(yīng)過程為自由基聚合，這是一種鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，首先需要形成活性中心(自由基、陰陽離子等)，然后通過鏈引發(fā)、鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移、鏈終止等基本反應(yīng)[12]。

鏈引發(fā)反應(yīng)過程就是引發(fā)劑分解形成初級自由基，初級自由基與單體形成單體自由基的過程；鏈增長反應(yīng)過程就是指單體自由基不斷地與單體分子發(fā)生加成反應(yīng)形成新的自由基，并且這種加成反應(yīng)一直進(jìn)行下去，形成越來越長的鏈自由基的過程；鏈終止反應(yīng)過程就是指鏈自由基反應(yīng)活性中心消失，生成穩(wěn)定大分子的過程，終止反應(yīng)絕大多數(shù)為兩個鏈自由基之間的反應(yīng)，其結(jié)果使得這兩個鏈自由基同時失去活性，聚合反應(yīng)停止發(fā)生。

1.3.2 凝膠注模成型工藝流程

采用凝膠注模成型技術(shù)制備石英陶瓷天線罩的坯體時，其原理是利用有機(jī)高分子的交聯(lián)反應(yīng)(單體聚合反應(yīng))，形成三維的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[13]，把陶瓷粉料包裹其中，從而固化成具有一定強(qiáng)度的坯體。首先通過靜電或位阻穩(wěn)定作用使陶瓷粉末以較高的固相含量分散在含有交聯(lián)劑和分散劑的單體溶液中，制成低粘度的濃懸浮體；然后加入引發(fā)劑和催化劑后注入到模具中，并通過單體聚合反應(yīng)使?jié){料原位固化成型；最后經(jīng)過脫模、干燥、排膠和燒結(jié)過程獲得可精加工的致密部件[14]。

其具體的制備工藝流程如下：(陶瓷粉料、有機(jī)單體、溶劑、交聯(lián)劑、分散劑)→混合球磨→除氣泡→澆注成型→凝膠化→脫?！稍铩拍z→燒結(jié)。對石英陶瓷進(jìn)行凝膠注模成型研究時，傳統(tǒng)工藝中常采用水基凝膠體系，常用丙烯酰胺(AM)作為有機(jī)單體，N’N-亞甲基雙丙稀酰胺(MBAM)為交聯(lián)劑，四甲基氫氧化銨(TMAH)/聚丙烯酸D-系列/檸檬酸銨(AC)為分散劑，去離子水作為分散介質(zhì)，過硫酸銨(APS)為引發(fā)劑，四甲基乙二胺(TEMED)為催化劑，并在注模成型前進(jìn)行除氣泡處理。相關(guān)研究表明[11-15]，聚丙烯酸D-系列的分散劑對石英陶瓷懸浮液的分散效果最好，檸檬酸銨的分散效果最差；四甲基乙二胺(TEMED)不宜在呈現(xiàn)酸性的料漿溶液中作為催化劑使用。采用上述凝膠體系制備出的坯體質(zhì)量較好，但單體丙烯酰胺是一種神經(jīng)毒素，具有一定毒性，對人體健康和環(huán)境保護(hù)不利，使得以丙烯酰胺為凝膠體系的成形技術(shù)不能產(chǎn)業(yè)化。相關(guān)研究部門[16]針對其不足提出了幾種不同的新型凝膠體系，如無氧阻聚、金屬鰲合無毒性、熱溶膠性大分子、殼聚糖大分子等天然、無毒、環(huán)保型且用量少的凝膠體系，并面向低成本、實用化、高效率、高可靠性和高重復(fù)性的工業(yè)化方向發(fā)展。1.3.3 模具的工作流程

首先，通過模具邊緣的多個通孔將外模的左、右兩側(cè)部分用螺栓緊固，為了防止料漿通過縫隙滲出，可夾入一層橡膠密封墊；其次，將內(nèi)模安裝于外模具上，通過上表面的6個圓柱銷孔進(jìn)行定位和固定；將配置好的料漿通過倒入口注塑到模具行腔內(nèi)；待料漿完成聚合反應(yīng)并成型后，從下往上取出內(nèi)模，并讓成型后的坯體在室溫下固化24-48 h；脫去外模，將凝膠坯體放入50 ℃左右的干燥箱內(nèi)進(jìn)行脫水，完成坯體的初步制備過程。

2 模具的3D打印

2.1 3D打印工藝分析

3D打印作為國內(nèi)外未來智能制造領(lǐng)域的重點發(fā)展技術(shù)，目前應(yīng)用比較成型的工藝類型主要分為六種[17-18]，分別是立體光刻(Stereo Lithigraphy Apparatus，SLA)、疊層實體制造(Laminated Object Manufacturing，LOM)、熔融沉積成型(Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM)、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)、選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)、三維打印與膠粘(Three Dimensional Printingand Gluing，3DP)。其具體的工藝特點如下：

(1)立體光刻(SLA)：常用材料為光敏樹脂；成型原理是引發(fā)劑受到照射或輻射后產(chǎn)生自由基，從而引發(fā)聚合反應(yīng)，使當(dāng)前層的樹脂交聯(lián)固化；打印制品精密度高，但對環(huán)境有一定的污染性；常用于模具制造、醫(yī)療等領(lǐng)域。

(2)疊層實體制造(LOM)：常用材料為薄層材料(如紙材、PVC、金屬箔等)；成型原理是切割器根據(jù)工件截面輪廓對薄膜進(jìn)行切割，并逐層實現(xiàn)每一層薄膜的送進(jìn)、黏合與切割；其打印原料成本低廉，適用于高精度、大尺寸工件成型，但材料利用率不高；常用于汽車工業(yè)等領(lǐng)域。

(3)熔融沉積成型(FDM)：常用材料為熱塑性材料(ABS、PLA、PC、PPSF等)；成型原理是利用電阻絲對熱熔裝置進(jìn)行加熱至合適溫度，由送絲裝置將材料送入到熱熔裝置進(jìn)行熔化，并通過噴嘴在托盤表面逐層鋪設(shè)熔融狀的絲材，擠出的絲材會立即和上一層材料黏合固化；其打印成本低、原料廣泛，但成型精度低，支撐材料難以剝離；常用于汽車、醫(yī)療、建筑、娛樂、電子、教育等領(lǐng)域。

(4)選擇性激光燒結(jié)(SLS)：常用材料為混合粉末(尼龍粉、覆裹尼龍的玻璃粉、蠟粉、金屬粉、覆蠟陶瓷粉、覆蠟金屬粉等)；成型原理是將一層粉末材料平鋪在已成型零件的上表面，加熱至恰好低于該粉末燒結(jié)點的某一溫度，并控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點后進(jìn)行燒結(jié)，并與下面已成型部分實現(xiàn)粘結(jié)；其打印過程無需支撐，制造工藝簡單，尺寸精度較高，成型材料廣泛，材料利用率高，但制件的力學(xué)性能差，表面質(zhì)量差，致密度低，輔助工藝過程復(fù)雜；常用于汽車、造船、軍事、航天和航空等領(lǐng)域。

(5)選擇性激光熔化(SLM)：常用材料為金屬粉末；其成型原理與選擇性激光燒結(jié)類似，區(qū)別在于金屬粉末在激光束的熱作用下實現(xiàn)了完全熔化；其打印過程不需黏結(jié)劑，適用于復(fù)雜部件的制造，加工周期短，復(fù)雜部件成本低，但初加工精度較低，需要二次加工，可選材質(zhì)有限；常用于汽車、航空航天、注塑模具、生物醫(yī)療、油田能源等領(lǐng)域。

(6)三維打印與膠粘(3DP)：常用材料為陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等；其成型原理是將原料粉末通過噴頭噴涂黏結(jié)劑將零件的截面“印刷”在材料粉末上面；其打印過程簡潔方便，但制品的表面質(zhì)量和機(jī)械力學(xué)性能不高，僅限于模型或工藝品的打印制作；常用于彩陶工藝品等領(lǐng)域。

根據(jù)石英陶瓷天線罩成型模具的使用要求，它應(yīng)具備較高的表面質(zhì)量和尺寸精度，參照六種常見3D打印方法的相關(guān)工藝特點，本次實驗選用SLA立體光刻3D打印工藝實現(xiàn)模具的制造。SLA的成型過程是光敏樹脂在受到光照射或輻射后引發(fā)聚合反產(chǎn)生固化，其光源為激光，成型過程是從點到線、線到面、面到體的過程。

2.2 3D打印結(jié)果分析

選用SLA打印機(jī)(上海數(shù)造機(jī)電科技股份有限公司生產(chǎn)，型號為：3DSL-360)，以類ABS光敏樹脂(型號為：SZUV-W8001)為原材料，采用激光固化處理快速成型技術(shù)制造衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩的模具。由于3D打印機(jī)的最大打印尺寸限制，現(xiàn)將模具的整體三維模型比例縮放為0.60，模具的打印實物見圖5所示， SLA打印工藝參數(shù)及材料性能的測試結(jié)果見表2所示。

表2 SLA成型工藝及材料性能Tab.2 SLA process and material properties

圖5 天線罩凝膠成型模具實物Fig.5 The sample gelcasting mould for radome

由表2結(jié)果可知，當(dāng)SLA工藝參數(shù)設(shè)置為切片厚度0.1 mm，輪廓掃描速度1200 mm/s，填充掃描速度7000 mm/s，激光照射功率300 mW，光斑直徑0.15 mm時，經(jīng)3D打印得到的材料實際密度為1.08 g/cm3，制件成型后的尺寸精度可達(dá)±0.1 mm，抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到74.1 MPa，表面粗糙度小于Ra 12.5 μm，可滿足石英陶瓷天線罩坯體在凝膠注塑成型時對于模具的使用要求。

3 結(jié)論及思考

(1)基于三維逆向掃描技術(shù)，可以獲得精度極高的天線罩曲面點云數(shù)據(jù)，通過3D偏差對比分析，其標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0011 m，與零件最大尺寸之比為0.0025，即總體線性誤差僅為0.25%，此逆向設(shè)計的思路及方法，可以用于復(fù)雜天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

(2)以制備石英陶瓷透波天線罩為目標(biāo)，設(shè)計了其凝膠注塑成型所需的模具結(jié)構(gòu)，并基于SLA光固化3D打印技術(shù)制備了該模具。實驗研究結(jié)果表明，當(dāng)SLA工藝參數(shù)設(shè)置為切片厚度0.1 mm，激光照射功率300 mW，光斑直徑0.15 mm時，制備出的天線罩模具材料實際密度為1.08 g/cm3，尺寸精度可達(dá)±0.1 mm，抗彎曲強(qiáng)度達(dá)到74.1 MPa，表面粗糙度小于Ra 12.5 μm，滿足使用要求。

(3)本實驗條件下，制備整套模具(比例縮放為0.6)消耗的光敏樹脂大約4500 g，耗材成本較高，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化模具的結(jié)構(gòu)和打印工藝參數(shù)，可將模具的壁厚減少到3-5 mm，從而降低生產(chǎn)成本。