3D打印技術(shù)在天線及天線罩制作方面的應(yīng)用

杜 睿，嚴(yán)厚偉，張曉慶

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

3D打印具有節(jié)省材料、縮短生產(chǎn)周期等優(yōu)點(diǎn)，隨著3D打印技術(shù)的成熟，近年來(lái)，3D打印被逐漸應(yīng)用于生產(chǎn)制造、建筑設(shè)計(jì)、生物醫(yī)療、交通運(yùn)輸、科學(xué)實(shí)驗(yàn)甚至是航空航天、天線雷達(dá)等各個(gè)方面。

在戰(zhàn)場(chǎng)上，隨時(shí)需要隱蔽、保護(hù)己方和欺騙、迷惑敵方，由于3D打印機(jī)能直接利用塑料、鋼鐵和鋁等材料打印戰(zhàn)場(chǎng)所需的一些零部件和特殊裝備，制造偽裝防護(hù)器材，對(duì)于遮障、假目標(biāo)、植被、蒙皮和偽裝網(wǎng)等偽裝防護(hù)器材有著廣泛的改進(jìn)空間，因此被逐漸應(yīng)用于軍事制造方面。2015年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)完成首臺(tái)3D打印成像望遠(yuǎn)鏡，NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術(shù)制造整臺(tái)儀器的單位。同年，俄羅斯技術(shù)集團(tuán)公司采用3D打印技術(shù)制造出一架無(wú)人機(jī)，實(shí)際生產(chǎn)耗時(shí)僅為31 h，制造成本不到20萬(wàn)盧布，縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了成本[1]。

本文首先將3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)制造技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，3D打印具有環(huán)保、打印周期短、操作簡(jiǎn)單安全等優(yōu)點(diǎn)。由于天線制作在傳統(tǒng)制作行業(yè)中性能要求較高，對(duì)3D打印與傳統(tǒng)工藝在天線制作上進(jìn)行簡(jiǎn)單對(duì)比，通過對(duì)比可知，3D打印具有短周期、高精度、無(wú)需模具的優(yōu)點(diǎn)。然后對(duì)比了幾種常見的3D打印工藝，選取熔融堆積成形(FDM)模式進(jìn)行研究。

本文第二部分介紹了幾例3D打印在天線、天線罩領(lǐng)域的應(yīng)用，并用SolidWorks對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩和某偵察系統(tǒng)0.38～2 GHz波段天線建模,并將STP格式文件轉(zhuǎn)化成3D打印機(jī)可識(shí)別的.STL格式文件，用軟件Repetier-Host(后文中簡(jiǎn)稱為RH)對(duì)2種天線罩進(jìn)行切片，轉(zhuǎn)化成切片模型后，研究其3D打印速度及質(zhì)量。以某偵察系統(tǒng)0.38～2 GHz波段天線某部分為例，其主要討論問題流程圖，如圖1所示。

圖1 某偵察系統(tǒng)0.38～2 GHz波段天線部分分析流程圖

1 3D打印與傳統(tǒng)制作技術(shù)

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印是一種快速成型的技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)：(1)在計(jì)算機(jī)軟件CAD、 SolidWorks、3DMAX或openscad等建立的STL(立體光刻)或OBJ(標(biāo)準(zhǔn)3D模型文件)格式的3D模型；(2)在3D打印設(shè)備中利用RH、Print3D等軟件，對(duì)已建立模型進(jìn)行分層切片，得到三維切片模擬打印圖形；(3)在切片軟件中根據(jù)打印機(jī)要求對(duì)模型的大小、方向、位置等形狀特征進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，同時(shí)可以設(shè)計(jì)模型的填充度、層高、打印速度等參數(shù)；(4)將切片圖形轉(zhuǎn)化成打印機(jī)可識(shí)別的G代碼進(jìn)行打??；(5)打印機(jī)逐層打印或者利用激光快速成型,3D打印工作流程如圖2所示。

圖2 3D打印工作流程

1.2 3D打印與傳統(tǒng)制作技術(shù)對(duì)比

由于3D打印可制造復(fù)雜物品，產(chǎn)品多樣化，成本低，制作周期短，無(wú)須組裝，設(shè)計(jì)空間無(wú)限，零技能制造，不占空間，便攜制造，減少?gòu)U棄副產(chǎn)品，材料無(wú)限組合，可精確地實(shí)體復(fù)制等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。對(duì)3D打印與傳統(tǒng)制作技術(shù)加工做多方面對(duì)比，結(jié)果如表1所示。

表1 3D打印與傳統(tǒng)制作技術(shù)

通過3D打印與傳統(tǒng)制作技術(shù)的對(duì)比，3D打印技術(shù)具有更優(yōu)良的特點(diǎn)：環(huán)保，打印周期短，操作簡(jiǎn)單安全，不需要固定生產(chǎn)地點(diǎn)；但是打印材料的局限性、打印批量小、適用行業(yè)有待開發(fā)也制約著3D打印技術(shù)的推廣。

1.3 3D打印在天線方面的應(yīng)用

3D打印在天線行業(yè)也有許多應(yīng)用，在文獻(xiàn)[2]中,某研究所曾做過這樣的研究，設(shè)計(jì)了一款復(fù)雜的喇叭發(fā)射天線。由于該天線外形為2排 8 列共 16 個(gè)喇叭口相互交錯(cuò)分布，相鄰間距小，形狀獨(dú)特，傳統(tǒng)的鑄件加工難以完成。采用 3D打印制作的工藝能解決該天線的制作問題，縮短了周期，降低了單件成本，駐波比小于 2.1，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合應(yīng)用條件[2]。

文獻(xiàn)[3]介紹的是一種DMLS(直接金屬激光燒結(jié))技術(shù)打印金屬制作的喇叭天線，該喇叭天線為X波段(8～12 GHz)，以10.0 GHz為中心頻率，采用3D打印使得金屬片穿孔，包含了整個(gè)X波段，減小了傳統(tǒng)工藝制作的重量，縮短了周期，為輕質(zhì)波導(dǎo)組件和天線制作提供了新途徑[3]。3D打印穿孔喇叭的幾何形狀如圖3所示。

圖3 穿孔喇叭的幾何形狀

文獻(xiàn)[4]所述為DMLS技術(shù)打印的3D單通道天線,該天線集成了一個(gè)N型饋源,可應(yīng)用于寬帶，這款3D打印天線的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果高度吻合，在4.6～8.2 GHz的寬帶上測(cè)量的電壓駐波比(VSWR)值小于2，該應(yīng)用完美解決了螺旋、分形天線以及形狀復(fù)雜天線的制作[4]。

文獻(xiàn)[5]介紹了一種 S 型脊喇叭陣列天線，為實(shí)現(xiàn)寬頻帶、大角度、電掃描，在其掃描方向縮小間距，采用3D打印制作出該天線。打印天線圖，實(shí)測(cè)低頻、中頻、高頻性能符合要求[5]。

文獻(xiàn)[6] 采用三維掃描技術(shù)獲取某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩實(shí)物外表面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，借助獲取的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造該天線罩，并采用3D打印介電常數(shù)和介電損耗角正切小且穩(wěn)的石英陶瓷材料得到天線罩。當(dāng)切片厚度為0.1 mm,輪廓掃描速度為1 200 mm/s,填充掃描速度為7 000 mm/s,激光照射功率為300 mW,光斑直徑為0.15 mm時(shí),經(jīng)3D打印得到的材料實(shí)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,無(wú)線電波穿透能力較強(qiáng),反射少,不會(huì)產(chǎn)生較大的損耗，具有優(yōu)良的性能[6]。

綜上，將傳統(tǒng)天線制作工藝與3D打印相比較，結(jié)果見表2。

表2 天線制作工藝分析

在天線制作中，通過對(duì)幾種傳統(tǒng)制作工藝與3D打印對(duì)比可知，3D打印具有短周期、高精度、無(wú)需模具的優(yōu)點(diǎn)；在形狀復(fù)雜的器件制作中同樣適用，但是相對(duì)于傳統(tǒng)制造工藝，3D打印成本較高。

3D打印快速成型的工藝有：光敏樹脂液相固化成形(SLA)、選擇性激光粉末燒結(jié) (SLS)、分 層 疊 加 成 形 (LOM)、熔融堆積成形(FDM)、三維打印成形(3DP) 等，表3對(duì)常見的幾種3D打印技術(shù)使用的材料、制件性能、用途及工藝特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單分析。

通過對(duì)常見的幾種3D打印材料的對(duì)比，SLA具有精度高、表面質(zhì)量好的工藝特點(diǎn)，主要用于高精度塑料件、鑄造用蠟?zāi)?；SLS、 FDM具有優(yōu)良的力學(xué)性能、高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于塑料件、樣件模型；LOM具有低成本、高打印速度等特點(diǎn)，應(yīng)用于產(chǎn)品樣件、模型等。

由于熔融堆積成形FDM主要應(yīng)用于塑料件、樣件等，并且成型零件具有力學(xué)性能好、強(qiáng)度高、成本低等性能，本文采用FDM對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩及偵察系統(tǒng)某波段天線罩切片進(jìn)行研究。

2 利用SolidWorks對(duì)2種天線及天線罩建模

為了方便進(jìn)行天線罩材料屬性選定、模型多方位檢查、易轉(zhuǎn)化.STL格式文件等需求，建模軟件選用Solidworks。Solidworks是一種三維建模軟件，可以多角度查看天線罩模型，方便使用者快速分析、多模型切換。

表3 幾種3D打印技術(shù)工藝對(duì)比

2.1 利用SolidWorks對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩建模

依照?qǐng)D4所示的平面圖，利用SolidWorks軟件對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩建立3D模型，首先選用前視基準(zhǔn)面，利用草圖繪制、旋轉(zhuǎn)拉伸等方式，建立如圖5所示的該衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩四視圖。天線罩建模材料為玻璃鋼(含Si3N4的高濃度化合物)，玻璃鋼材料質(zhì)量密度、張力強(qiáng)度、熱導(dǎo)率如圖6所示，其中質(zhì)量密度為3 200 kg/m3。

圖4 某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩尺寸圖

2.2 利用SolidWorks對(duì)某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線建模

圖5 某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩建模四視圖

圖6 某衛(wèi)星導(dǎo)航天線物罩建模材料屬性

圖7 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線實(shí)物圖

圖8 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線尺寸圖

某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線實(shí)物圖如圖7所示，天線尺寸圖如圖8所示，利用SolidWorks軟件對(duì)該天線各部分(腔體、FR-4板材螺旋面、支柱、天線蓋)進(jìn)行建模，建模后該天線四視圖如圖9所示。

圖9 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線建模四視圖

其中腔體、支柱、天線罩選用材料為聚四氟乙烯，螺旋面選用材料FR-4板材；材料屬性如圖10所示；完成多視圖建模，屬性添加后，將其四部分組合在一起，形成該天線裝配體圖，如圖11所示。

圖10 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線建模材料屬性

圖11 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線裝配體圖

3 2種天線、天線罩3D打印速度及質(zhì)量分析

RH為3D打印切片軟件，將SolidWorks、openscad等軟件建立的.SLD等三維模型文件轉(zhuǎn)化成.STL格式文件，經(jīng)過Cura,Slic3r等切片模式后，轉(zhuǎn)化成3D打印可識(shí)別的G代碼。本文為方便后文3D打印速度及質(zhì)量分析，2種天線、天線罩模型轉(zhuǎn)換時(shí)均選擇Cura模式，具體參數(shù)如圖12所示，填充率選95%，打印直徑1 mm，單噴頭打印，打印及填充速度均為32 mm/s,外邊緣打印速度設(shè)置為32 mm/s。

圖12 RH軟件參數(shù)設(shè)置界面

3.1 利用RH軟件對(duì)某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩切片分析

將SolidWorks建立的某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩模型圖(圖5所示)轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)可打印的.STL格式，用3D切片軟件RH打開，對(duì)已建立的模型進(jìn)行分層切片，得到三維打印圖形，其3D切片圖如圖13所示，并理論計(jì)算所需材料重量。

為方便計(jì)算出所用材料質(zhì)量，將該天線罩等比例縮小至0.1倍，填充率95%時(shí)，以直徑1 mm計(jì)算，模擬切片后，將使用材料17 905 mm，理論計(jì)算原天線罩體積為140 626 mm3,當(dāng)Si3N4的質(zhì)量密度為3 200 kg/m3(氮化硅材料，六方HCP晶系，本文建模選Si3N4質(zhì)量密度為3 200 kg/m3，如圖6所示)，則理論計(jì)算該衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩重量為0.45 kg,采用傳統(tǒng)工藝制作該天線罩質(zhì)量為1.4 kg。

圖13 某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩3D仿真圖

3.2 利用R-H軟件對(duì)某電磁定位偵察系統(tǒng)0.38～2 GHz波段天線建模

某電磁定位偵察系統(tǒng)0.38～2 GHz波段天線,由腔體、FR-4板材螺旋面、支柱和天線蓋構(gòu)成。該天線實(shí)物圖如圖7所示，裝配體四視圖如圖11所示。

為方便RH軟件切片，快速計(jì)算出所用材料質(zhì)量，以原圖0.17倍切片，3D切片圖見圖14。打印速度、出料直徑、填充率等設(shè)置如圖12所示。當(dāng)填充率為95%，直徑為1 mm時(shí)，打印用料為：L腔體=29 274 mm，L螺旋面=5 343 mm，L支柱=655 mm，L天線蓋=10 134 mm，該天線罩切片模擬打印重量為0.357 kg(聚四氟乙烯質(zhì)量密度為2 200 kg/m3，F(xiàn)R-4板材密度1.70～1.90 g/cm3，腔體及支柱材料密度選作7.9×103kg/m3，各部分材料屬性見圖10),采用傳統(tǒng)工藝制作該天線質(zhì)量為0.58～0.66 kg。

圖14 某電磁定位系統(tǒng)0.38～2 GHz天線3D切片圖

經(jīng)過對(duì)2種天線及天線罩建模、切片、3D打印分析，與傳統(tǒng)工藝相比，某衛(wèi)星導(dǎo)航天線罩3D模擬打印重量約為傳統(tǒng)工藝重量的1/3,某電磁定位偵察系統(tǒng)某波段天線3D模擬打印重量約為傳統(tǒng)工藝重量的1/2。2種天線罩建模、模擬打印時(shí)間均在1周內(nèi)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短了制作周期。

4 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)對(duì)于遮障、假目標(biāo)、天線器材性能多方面要求會(huì)越來(lái)越高，敵方識(shí)別目標(biāo)干擾的能力也會(huì)逐漸提升，這是一個(gè)博弈與反博弈的過程。盡管3D打印具有可打印材料范圍小、可打印批量小等局限，但是由于3D打印能打印戰(zhàn)場(chǎng)所需的一些零部件和器材，同時(shí)3D打印具有環(huán)保、周期短、精度高、操作簡(jiǎn)單安全、不需要固定生產(chǎn)地點(diǎn)等特點(diǎn)。未來(lái)3D打印在天線制作及軍事中將得到更多更普遍的應(yīng)用。