（中國空空導彈研究院，洛陽 471009）

當今時代飛速發(fā)展，人類工業(yè)先后發(fā)生了3次工業(yè)革命。時下，全球正在掀起第四次工業(yè)革命的浪潮，“工業(yè)4.0”的理念已經被廣泛的接受和認可。3D打印技術發(fā)展日新月異，具有無可估量的巨大潛力，被認為是新一輪工業(yè)革命的重要標志，必將在制造技術領域掀起一場新的革命[1]。

目前，3D已經在工業(yè)設計、文化藝術、機械制造、航空航天、軍事、建筑、影視、家電、輕工、醫(yī)學、考古、雕刻、首飾等領域得到了應用[2]。而在空空導彈方面尚未查到有關的應用報道，因此，關注和研究3D打印技術，探討在空空導彈方面的應用具有重要的現(xiàn)實意義。本研究將天線水冷板作為試驗件，由于其復雜的內部流道結構，原來機械加工和焊接加工方法復雜和周期長，首次嘗試進行3D打印技術加工。

1 3D打印技術簡介

1.1 3D打印的概念

3D打印技術是快速成形技術的一種，也稱增材制造（Additive Manufacturing）技術，是通過添加材料直接從三維數學模型獲得三維物理模型的綜合制造技術，集機械工程、計算機輔助設計、逆向工程技術、分層制造技術、數控技術、材料科學、激光技術于一體，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵2]。

1.2 3D打印的基本原理

3D打印技術與傳統(tǒng)的從毛坯上去除多余材料的切削加工方法不同，是一種“增量”成形技術。具體成形過程是，根據三維CAD模型，經過格式轉化后，對零件進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓形狀。按照這些輪廓形狀，用噴射源選擇性噴射一層層的粘接劑或熱熔性材料，或用激光束選擇性固化一層層的液態(tài)光敏樹脂，或用燒結一層層的粉末材料，形成每一層截面二維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成三維立體零件[3]。

1.3 3D打印的主要技術途徑

根據打印材料的不同及相應的堆疊技術，實用化的3D打印技術已有十幾種，其中有代表性的5種分別是：立體光固化成型技術（Stereo Lithography Apparatus，SLA），熔融沉積成型技術（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM），分層實體制造技術（Laminated Object Manufacturing，LOM），三維打印技術（Three Dimensionnal Printing，3DP），選擇性激光燒結技術（Selected Laser Sintering，SLS）[4]。

1.4 3D打印的材料

3D打印材料多種多樣，主要有石膏、尼龍、光敏樹脂、金屬材料、塑料、陶瓷材料、復合材料，甚至還有塑料垃圾、秸稈等。金屬材料包括黑色金屬（如不銹鋼）、高溫合金、有色金屬（如鈦、鎂鋁合金、鎵、鎵銦合金）、稀貴金屬（如金、純銀、黃銅等）[5]。

2 3D打印技術在天線水冷板加工中的應用研究

2.1 天線水冷板功能和結構

天線水冷板的主要功能是吸收大功率發(fā)熱芯片發(fā)出的熱量，以免芯片由于過熱而失效，其在結構分為上中下3層：分別為蓋板、底板和下板3個零件，然后采用焊接技術焊在一起，最后進行后續(xù)的加工和裝配。天線水冷板示意圖如圖1所示。

圖1 天線水冷板模型示意圖Fig.1 Schematic diagram of antenna water cold plate model

2.2 天線水冷板采用3D打印加工的原因

水冷板一般加工的方法，先是將組成水冷板的3個零件分別加工，然后焊接在一起。這種加工方法有一定的缺點，一是底板結構復雜，里面有復雜的流道結構，數控編程和加工工藝多，工作量較大；二是在最后焊接工藝上，對焊接技術要求較高，蓋板與底板上多個接觸區(qū)域進行水密要求的焊接，任何一個接觸區(qū)域不能滿足水密要求都會導致相鄰的兩個或多個流道之間形成串流，冷卻液總是沿著流阻最小的方向流動，這樣會造成局部區(qū)域冷卻效果惡化，不利于局部T/R模塊的散熱；三是可靠性低，在振動、沖擊等復雜受力環(huán)境下焊縫容易受損，可能造成液體滲漏的風險。

采用3D打印技術來加工水冷板，初步考慮到有以下優(yōu)點：一是可以不再考慮焊接工藝可能帶來的水道串流或漏水風險；二是無需二維圖紙，從三維模型直接生產加工，這樣可以省去很多花費在二維圖紙生成的時間，如各種尺寸標注和形位公差標注等；三是縮短研制周期，降低研發(fā)成本，成本上粗略的估計，單件大約可以節(jié)約2/3的成本。

2.3 天線水冷板3D打印過程

天線水冷板的整個3D打印過程包括4個步驟，分別是模型建模、切片處理、設備打印和后處理。

2.3.1 天線水冷板3D模型建模

3D模型是進行3D打印的數據源頭。在天線水冷板模型建模過程中，需要考慮3D打印的技術要求和能達到的加工精度，考慮好重要的配合尺寸，和后續(xù)需要加工的尺寸，留有一定的加工余量。

采用UG 建模軟件，將水冷板拆分為蓋板、底板和下板3個零件進行建模，而其中底板是重要的模型，里面有復雜的流道結構，分別建好后，裝配到一起，提升模型，完成水冷板初步模型。

建好模型后，經技術人員溝通和協(xié)調，進行了模型更改，主要是流道在三維打印方面的特殊性，在進行封閉時，不能直接進行直角封閉，需要圓角過渡。修改后，完成最終的打印模型，如圖2所示。

圖2 天線水冷板3D打印模型示意圖Fig.2 Schematic diagram of 3D printing model of antenna water cold plate

2.3.2 水冷板模型切片處理

模型的切片處理是通過專門的切片軟件來實現(xiàn)的。首先是將建好的UG模型的PRT格式文件導出為STEP格式，經過專用軟件格式轉化后，生成STL格式，對水冷板模型進行分層切片處理，得到各層截面的二維輪廓形狀。

2.3.3 在3D打印機上進行3D打印

采用的3D打印機為德國EOS公司生產的EOS M280型設備，最大成形尺寸為250mm×250mm×325mm。其工作原理是將3D模型各層截面的二維輪廓形狀，通過3D打印機激光束燒結一層層的粉末材料，形成每一層截面二維的平面輪廓形狀，然后再一層層疊加成零件。此項工作由3D打印機自動完成，粉末采用進口的鋁合金粉末AlSi10Mg，每一層厚度0.03mm，連續(xù)工作，最后完成水冷板的3D打印。

2.3.4 打印完成后處理

3D打印機完成打印后，需要對水冷板進行后處理，如去除未燒結的粉末，以及內部流道內粉末，切除打印金屬平臺。由于考慮到后續(xù)機加工，因此沒有進行表面拋光等。

2.4 天線水冷板內部流道檢驗

打印成的水冷板采用無損檢測手段進行內部流道的檢驗，采用X射線透視拍片后，在強光下仔細觀察，可以看到水冷板內流道清晰，沒有發(fā)現(xiàn)多余物，無堵塞現(xiàn)象，可基本確定水冷板流道打印成功。

2.5 天線水冷板后續(xù)加工和裝配

此時3D打印成的水冷板相當于一個鑄造的毛坯，主要是內部流道加工完成，而連接接口還沒有加工，離真正在產品上使用還有一些距離，還需要在數控機床上進行加工，主要包括兩端面加工、外直徑配合面加工、兩端面共64個定位銷孔、64個固定模塊安裝孔、天線32個安裝孔等。由于需要加工的銷和孔位置精度高，數量多，若加工超差，可能會傷及流道，造成零件的報廢，因此須在加工時選好定位基準，設計合適的工裝來保證加工滿足圖紙要求。

水冷板的裝配主要是兩端面共64個定位銷的裝配，裝配后最終的水冷板示意圖見圖3。

圖3 水冷板最終的加工和裝配示意圖Fig.3 Schematic diagram of final machining and assembly of water cold plate

2.6 天線水冷板水壓試驗方案

水冷板的水壓試驗在水壓試驗機上或水壓試驗設備上進行，連接水冷板的出入口和水壓試驗機的出入口，調節(jié)壓力開關，逐步從小增大壓力， 觀察水冷板有無泄漏、鼓包、變形等情況，當壓力增大到1.2MPa，保持壓力20min后，觀察水冷板有無變化。通過水壓試驗來驗證水冷板是否滿足耐壓和密封性的要求。

2.7 天線水冷板流阻的測試

考慮到3D打印表面質量比機加工差的特點，外表面表面質量可以通過后續(xù)的加工來彌補；但內部流道的表面質量差，沒有好的辦法彌補，可能會增加流阻，影響散熱效果。通過采用專門的流阻測試設備測量在不同流量條件壓降， 繪制出水冷板的流量-流阻曲線， 分析對比流阻增大的情況。

2.8 天線水冷板散熱性能試驗方案

為驗證3D打印的水冷板的散熱特性，采用打印的水冷板和加工焊接的水冷板進行對比，通過散熱性能的對比來驗證。

試驗采用設備主要包括液冷設備(含流量計、壓力表)、模擬熱源（含發(fā)熱電阻、調壓器、功率表、加熱電源）、溫度記錄儀、連接管路等。

試驗的重點是熱源模擬，熱源模擬采用發(fā)熱電阻串聯(lián)的方法，用導熱絕緣膠粘（或螺釘固定）在紫銅板上，形狀近似模塊的紫銅板固定在水冷板上，發(fā)熱電阻的加熱量由調壓器控制，并由功率表測量發(fā)熱量。在水冷板另一面布置熱電偶，并連接到溫度記錄儀上。對兩種水冷板分別進行測量，改變冷卻液的溫度和流量，并通過調壓器改變輸入電壓來改變發(fā)熱電阻的發(fā)熱量，記錄多組溫度測試數據。最后對試驗的數據進行處理，來分析對比兩種水冷板的散熱性能。

3 結束語

3D打印的天線水冷板雖然沒有經過實際裝機應用，沒有驗證是否能否滿足天線的散熱要求，但通過X射線拍照觀察內部流道的加工情況，以及后續(xù)的加工和裝配過程，3D打印技術加工出的水冷板能夠滿足結構設計要求，大大縮短研制周期、降低成本，提高研制效率。

從天線水冷板模型建立到零件打印成功過程來看，三維CAD模型是3D打印技術源頭，核心和關鍵是3D打印設備。3D打印成本主要是3D打印設備和材料上，3D打印設備和原材料一般是進口，價格較高，因此單件零件的成本較高，若數量大，成本會大大降低。展望在空空導彈上應用方面，那些結構復雜、傳統(tǒng)方法加工困難、成本較高結構零件可以考慮和采用3D打印技術進行加工。隨著3D打印技術的進步，打印精度提高，打印成本降低，3D打印技術在空空導彈應用會更廣泛。

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