3D打印與航空業(yè)的減重之路：空客減重50%的射頻濾波器有答案

挑戰(zhàn)：提升通信衛(wèi)星射頻濾波器（RF Filter）的性能、生產(chǎn)效率和定制能力

解決方案：3D Systems ProX DMP 320打印機(jī)通過(guò)久經(jīng)驗(yàn)證的工藝和LaserForm AlSi10Mg（A）材料，使新部件的設(shè)計(jì)通過(guò)了空中客車防務(wù)及航天公司（Airbus Defence and Space）的嚴(yán)苛測(cè)試。

成果：
通過(guò)3D打印的新設(shè)計(jì)將原來(lái)的分體設(shè)計(jì)合為為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，降低了濾波器的總體重量
縮短生產(chǎn)時(shí)間，降低成本
濾波器減重50%
材料質(zhì)量和久經(jīng)驗(yàn)證的工藝制作出能夠提升射頻濾波器（RF）性能的設(shè)計(jì)

過(guò)去兩年（2015年和2016年）可以被看作是直接金屬打印(DMP)在航空業(yè)的引爆點(diǎn)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)快速?gòu)脑�型制作轉(zhuǎn)變至至生產(chǎn)航天設(shè)備部件和裝配件。

在這段時(shí)間里，空中客車防務(wù)及航天公司同3D Systems協(xié)作，取得了重大突破：首個(gè)3D打印的射頻（RF）濾波器經(jīng)過(guò)測(cè)試和驗(yàn)證，可以被用于商業(yè)通信衛(wèi)星。這個(gè)項(xiàng)目由歐洲航天局提供支持(A0/1-6776/11/NL/GLC：利用3D增材制造技術(shù)為優(yōu)化的波導(dǎo)組件建模和設(shè)計(jì))。

濾波器小貼士

金屬質(zhì)RF或波導(dǎo)濾波器的歷史可回溯至5年前的第一個(gè)航空通信系統(tǒng)。濾波器的作用如同交警一樣，允許某一個(gè)頻率范圍內(nèi)的信號(hào)能通過(guò)，頻率范圍之外的信號(hào)均不能通過(guò)。

3D打印使空中客車防務(wù)及航天公司基于超橢圓形狀來(lái)設(shè)計(jì)新的射頻濾波器，能有效通過(guò)射頻電流

行業(yè)的主要趨勢(shì)是增加單個(gè)衛(wèi)星內(nèi)多波束的容量。高容量衛(wèi)星，比如空中客車防務(wù)及航天公司制造的EutelstatKA-SAT能攜帶將近500個(gè)射頻濾波器和超過(guò)600個(gè)波導(dǎo)濾波器。這些濾波器大多數(shù)是特制的，用于處理特定的頻率信號(hào)。

滿足嚴(yán)苛需求

通信衛(wèi)星是航空業(yè)需要減重的典型-將其送入靜止軌道，每公斤的重量就要耗費(fèi)2萬(wàn)美元的成本。持續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和減少生產(chǎn)時(shí)間也是關(guān)鍵，大多數(shù)衛(wèi)星的壽命約在10-15年。

需要減重、創(chuàng)新和減少生產(chǎn)時(shí)間恰是直接金屬打印可以提供的。這個(gè)射頻濾波器項(xiàng)目使用3D Systems的ProX DMP 320，幫助制造商整合濾波器分體部件，通過(guò)改進(jìn)濾波器形狀和表面來(lái)提升其功能，而這是傳統(tǒng)制造方式無(wú)法提供的，定制型的設(shè)計(jì)也有效降低了濾波器的生產(chǎn)時(shí)間和成本。當(dāng)然在提升材料強(qiáng)度的同時(shí)還使濾波器更輕質(zhì)。

ProX DMP 320

3D Systems比利時(shí)魯汶的生產(chǎn)中心在ProX DMP 320測(cè)試階段的時(shí)候就已經(jīng)驗(yàn)證打印機(jī)的應(yīng)用。成功的項(xiàng)目有航天驗(yàn)證部件的拓?fù)鋬?yōu)化、減重和整合，比如通信衛(wèi)星的支架和支柱配件�？罩锌蛙嚪绖�(wù)及航天公司的項(xiàng)目是3D Systems魯汶中心的首次進(jìn)行射頻濾波器的制作。

ProX DMP 320可以高產(chǎn)出的制作高精度部件，可使用LaserForm系列的合金（鈦，不銹鋼，鋁，鎳，鉻，鈷鉻）進(jìn)行打印。

由空中客車防務(wù)及航天公司設(shè)計(jì)的3D打印射頻濾波器集成至衛(wèi)星載荷，新濾波器比老款減重50%

在不同成型材料之間更換時(shí)，可替換制造模塊增加了應(yīng)用的多功能性和高效的設(shè)備利用率�？煽氐恼婵粘尚团摯_保每個(gè)部件的性能、致密度和化學(xué)純度。

突破性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

空中客車防務(wù)及航天公司的射頻濾波器項(xiàng)目充分展示了3D打印的能力，為數(shù)十年沒(méi)有明顯變化的航空業(yè)提供了新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

之前的射頻濾波器是按照傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化元素設(shè)計(jì)的，例如矩形腔和波導(dǎo)截面。部件的形狀和連接由典型制造工藝決定，比如銑削和電火花腐蝕。然后，濾波器的腔體需要將兩個(gè)部分通過(guò)加工固定在一起。顯然這樣做的話重量會(huì)比較重，需要裝配的部分也會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間，還需要額外的質(zhì)量評(píng)估。

3D打印的射頻濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于內(nèi)凹的超橢圓設(shè)計(jì)

使用3D打印的方式制作部件使空中客車防務(wù)及航天公司可以在設(shè)計(jì)上不受局限，也沒(méi)有額外的生產(chǎn)成本。

CST MWS是是德國(guó)CST公司推出的高頻三維電磁場(chǎng)仿真軟件，用于設(shè)計(jì)3D打印的射頻濾波器，僅需花費(fèi)少量時(shí)間在設(shè)計(jì)優(yōu)化上。3D打印帶來(lái)的制造上的靈活性造就了濾波器凹陷型超橢圓設(shè)計(jì)的腔體。獨(dú)特的形狀有助于RF電流的通過(guò)，且在Q因子之間進(jìn)行平衡傳遞-一種基于能量損耗的波導(dǎo)效率的測(cè)量方法-和外來(lái)信號(hào)的屏蔽。

3D Systems魯汶中心的項(xiàng)目工程師科恩·霍布西茲表示：“突破性的創(chuàng)新在于純粹的功能，而不是考慮是不是能制造出來(lái)，現(xiàn)在我們要做的是考慮如何設(shè)計(jì)。這個(gè)項(xiàng)目是典型的形隨機(jī)能的示范�！�

由空中客車防務(wù)及航天公司設(shè)計(jì)的3D打印射頻濾波器將原來(lái)的分體設(shè)計(jì)結(jié)合為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，降低了總體重量。3D打印助力生產(chǎn)時(shí)間縮短，成本降低

位于英國(guó)斯蒂夫尼奇空中客車防務(wù)及航天公司的射頻濾波器工程師保羅·布斯說(shuō)到：“3D打印帶來(lái)的整體式設(shè)計(jì)，其主要優(yōu)勢(shì)是數(shù)量、成本和時(shí)間。因?yàn)闉V波器不再需要緊固件來(lái)將部件結(jié)合在一起，所以部件數(shù)量其實(shí)減少了。使用直接金屬打印，還有一個(gè)額外的好處就是部件的外輪廓與內(nèi)輪廓更緊密。成本和生產(chǎn)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)來(lái)源于裝配和后處理時(shí)間的縮短。”

“我們意識(shí)到這不僅是使用一臺(tái)好的設(shè)備制造部件的事情，還是3D Systems制造工藝優(yōu)勢(shì)的真實(shí)體現(xiàn)。”

消除表面質(zhì)量的顧慮

剛開始，3D打印金屬件的表面結(jié)構(gòu)有所不同被認(rèn)為是一個(gè)問(wèn)題，但是經(jīng)過(guò)空中客車防務(wù)及航天公司的廣泛測(cè)試，這種顧慮消除了。

布斯說(shuō)：“3D打印件的微觀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)跟加工件相比是不同的。機(jī)加工部件的表面有鋒利的起伏，而3D打印件是球狀粉末熔融在一起，就相對(duì)不那么鋒利了�！�

霍布西茲提到：“近似球形的3D打印粉末顆粒制作的部件偏向一定的波形而不是陡峭的形狀。但是塑造一個(gè)更有效的濾波器部件的能力遠(yuǎn)超過(guò)克服表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問(wèn)題�！�

布斯表示：“我對(duì)于3D Systems為我們做的這些，我們非常欣賞，公司內(nèi)部對(duì)于濾波器表面光潔度也有諸多好評(píng)。我們做了一些X射線CT掃描，我們很滿意部件的密度和表面質(zhì)量。“

通過(guò)嚴(yán)苛測(cè)試

ProX DMP 320打印的三個(gè)鋁樣件使用不同處理路徑，空中客車防務(wù)及航天公司在斯蒂夫尼奇中心對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。模擬測(cè)試樣件在發(fā)射和軌道運(yùn)行時(shí)的條件，包括震動(dòng)、沖擊和受熱的情況，例如極限溫度和真空條件下。三個(gè)鋁樣件滿足，甚至超過(guò)客戶需求。部件最好的性能來(lái)自于通過(guò)電解過(guò)程鍍銀的濾波器。

除了3D打印，3D Systems為這類項(xiàng)目提供了至關(guān)重要的附加價(jià)值，如經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的粉體處理、材料密度控制、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的后處理和可靠的質(zhì)量管控。

布斯意識(shí)到這些額外的經(jīng)驗(yàn)是項(xiàng)目成功的一大助力:“我們意識(shí)到這不僅是使用一臺(tái)好的設(shè)備制造部件的事情，還是3D Systems制造工藝優(yōu)勢(shì)的真實(shí)體現(xiàn)�！�

巨大的潛在投資回報(bào)率

現(xiàn)在打印部件的工藝過(guò)程已經(jīng)被驗(yàn)證，部件也滿足了空中客車防務(wù)及航天公司的最高航天標(biāo)準(zhǔn)，空客公司可以開始考慮金屬打印的投資回報(bào)率了。CFO對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的投資回報(bào)率非常滿意：周轉(zhuǎn)時(shí)間快、生產(chǎn)成本降低且部件減重了50%！

“在不浪費(fèi)大量時(shí)間對(duì)部件進(jìn)行優(yōu)化的前提下減重一半，而且在進(jìn)一步的構(gòu)造設(shè)計(jì)下，重量還能下降。減重使火箭用到的推進(jìn)劑減少，幫助成本下降，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的要求也較低，這也無(wú)形中進(jìn)一步降低了重量�！�

“這個(gè)項(xiàng)目的成功開啟了射頻濾波器的機(jī)械和熱組件更加集成化的大門，致力于減少零件數(shù)量和總體重量。我們還將考慮集成更多功能，比如測(cè)試耦合器作為濾波器的一部分或者直接集成至波導(dǎo)的運(yùn)行中。在對(duì)部件減重的同時(shí)縮短生產(chǎn)時(shí)間和成本上面還有巨大的潛力等待發(fā)掘�！�

來(lái)源：3D SYSTEMS