馮小明 張盛華 石俊峰

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

喇叭天線由于具有較大的增益、較好的方向性、較低的電壓駐波比、較好的頻率特性、較大的功率容量等優(yōu)勢而得到了廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的喇叭天線由波導(dǎo)壁張開延伸而得[1]。可采用機(jī)械加工法、拼焊法、整體線切割法、精密鑄造法和電鑄等方法制作而成。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，近年來設(shè)計的喇叭天線外形尺寸奇特，腔體形狀復(fù)雜怪異，壁厚不均且相差較大，傳統(tǒng)的加工方法和手段已無法制作這類新的喇叭天線。

20世紀(jì)80年代末出現(xiàn)的3D打印制造技術(shù)，作為信息化和制造技術(shù)的高度融合，能夠?qū)崿F(xiàn)高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零件的無模具、快速、全致密、近凈成形，成為了應(yīng)對當(dāng)前出現(xiàn)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)喇叭天線最佳最新的制造技術(shù)途徑[2]。雖有大量文獻(xiàn)報道3D打印技術(shù)在食品、服裝、家具、醫(yī)療、建筑、教育、航空航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用，但鮮有文獻(xiàn)報道3D打印技術(shù)在喇叭天線制作中的應(yīng)用[3]。本文詳細(xì)介紹了3D打印制造技術(shù)在某復(fù)雜喇叭天線制作中的應(yīng)用，測試結(jié)果表明3D打印制造技術(shù)在復(fù)雜喇叭天線制作中方案可行，且周期短，單件加工成本低，其加工費是線切割的三分之一，機(jī)械加工的二分之一，為喇叭天線的制作開辟了新的工藝途徑，也為3D打印技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)寬了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

1 3D打印技術(shù)概述

3D打印制造技術(shù)是通過三維CAD 設(shè)計數(shù)據(jù)采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術(shù)，相對于傳統(tǒng)的材料去除( 切削加工) 技術(shù)，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。又稱增材制造技術(shù)[4]。

3D打印制造技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設(shè)計數(shù)據(jù)在一臺設(shè)備上可快速而精確地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實現(xiàn)“自由制造”，解決許多過去難以制造的復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品，其制造的優(yōu)勢越顯著[5]。近年來，3D打印制造技術(shù)取得了快速的發(fā)展，在許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，如在消費電子產(chǎn)品、汽車、航天航空、醫(yī)療、軍工、地理信息、藝術(shù)設(shè)計等。3D打印制造技術(shù)的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術(shù)特點決定了3D打印制造技術(shù)在產(chǎn)品創(chuàng)新中具有顯著的作用[6]。

相對傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印技術(shù)在制作復(fù)雜喇叭天線中具有以下潛在優(yōu)勢[7]。

1)降低制造成本。對于傳統(tǒng)制造，產(chǎn)品形狀越復(fù)雜，加工工時越長，制造成本越高。3D打印不會因為產(chǎn)品形狀的復(fù)雜程度提高而消耗更多的時間或成本，對于多口復(fù)雜腔體喇叭天線的制造，3D打印具有明顯優(yōu)勢。

2)適于產(chǎn)品多樣化。研制過程中，喇叭天線形狀多種多樣，有角錐喇叭、單脊喇叭、雙脊喇叭、波紋喇叭，還有單口、雙口、4口、8口、16口、32口喇叭等，傳統(tǒng)的加工方法對應(yīng)每一種形式的喇叭天線都需要準(zhǔn)備相應(yīng)的工裝或模具，3D打印不需要針對喇叭天線形式的改變而修改工裝或模具。

3)及時交付。3D打印可以按需打印，從而大大壓縮復(fù)雜腔體喇叭天線的試制周期。

4)拓展設(shè)計空間。受傳統(tǒng)制造方式限制，產(chǎn)品只能根據(jù)工藝的可實現(xiàn)性來設(shè)計，如喇叭天線的內(nèi)腔體形狀只能由小逐漸變大。3D打印可以使喇叭天線的腔體形狀由大變小或其他任意形狀。

5)降低技能要求。傳統(tǒng)上，喇叭天線制造對操作人員技能有很高要求，經(jīng)常出現(xiàn)由于更換了操作人員而導(dǎo)致喇叭天線性能差別很大的情況。3D打印從設(shè)計文件中獲取各種指令，制造同樣復(fù)雜的產(chǎn)品，3D打印機(jī)所需的操作技能遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)制造。

6)降低浪費。與傳統(tǒng)加工減材制造相反，3D打印制造屬于增材制造，喇叭天線的大量傳統(tǒng)金屬加工，大量原材料都在加工過程中被廢棄，而3D打印的“凈成形”大幅減少金屬制造浪費量。

2 3D打印技術(shù)在天線應(yīng)用中面臨的問題

1)批量產(chǎn)品價格昂貴。目前，由于 3D 打印技術(shù)還處于起步發(fā)展階段，技術(shù)還不算十分成熟，還不具備規(guī)模生產(chǎn)的經(jīng)營發(fā)展要求，只適合單個小批量生產(chǎn)，價格優(yōu)勢欠缺，可以說是十分昂貴. 根據(jù)實際調(diào)研，市面上 1 kg 的打印材料少則幾百元，多則達(dá)到幾十萬元，另外目前用于 3D 打印的設(shè)備價格較高，對其快速應(yīng)用普及形成挑戰(zhàn)，由此可見，3D打印技術(shù)在一段時間內(nèi)還不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造技術(shù)，尤其在大批量生產(chǎn)上，3D 打印不占優(yōu)勢。

2)制造精度與效率方面。制造成品的精度不高、表面質(zhì)量較差，加工效率低，在適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)需求方面問題比較突出。

3)材料選擇方面。就目前而言，3D 打印的材料仍局限在很少一部分，與傳統(tǒng)制造業(yè)上可用材料種類相比，3D 打印使用的材料品種仍有很大的局限性，用于制造喇叭天線的金屬材料目前只有鋁合金及鈦合金粉末。

4)打印尺寸受技術(shù)和打印機(jī)的限制，目前的打印設(shè)備更適合小尺寸的天線制作。

3 某喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點

某雷達(dá)天線為16口喇叭天線，如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點為：

圖1 16口喇叭天線結(jié)構(gòu)圖

1)外形尺寸小，喇叭口多。該喇叭天線外形尺寸為166mm×50mm×45mm，二排8列共16個喇叭口交錯分布，每相鄰兩喇叭口輸出端橫向中心間距為18.8mm，縱向中心間距為12.3mm，輸入端橫向中心間距為18.8mm，縱向中心間距為3.15mm(假定該天線為發(fā)射天線)。

2)相鄰兩喇叭口之間的隔板薄厚不一且相差很大。如圖2所示，兩相鄰喇叭口之間橫向及縱向的隔板厚度不一致。

3)每一個喇叭口內(nèi)腔形狀復(fù)雜。如圖3所示，喇叭腔體由兩個不規(guī)則的角錐喇叭組成，在喇叭口向外的一側(cè)還有一根寬4mm，長50mm，高度不一致的脊。

圖2 相鄰喇叭口之間縱向及橫向隔板示意圖

圖3 喇叭口內(nèi)腔體結(jié)構(gòu)圖

4)外形奇特，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。為了減輕重量，將喇叭的外壁厚度設(shè)計成1mm，因此喇叭外部形狀與內(nèi)腔形狀類似，而且16個喇叭口按2排8列交錯排列。所以該喇叭天線的外部形狀更顯復(fù)雜和奇特。

4 制作工藝分析與實現(xiàn)

針對該喇叭天線的結(jié)構(gòu)特點，對喇叭天線的傳統(tǒng)制作工藝逐一進(jìn)行分析比較如表1所示[8]。

根據(jù)對以上6種制作工藝進(jìn)行比較，綜合考慮選擇采用3D打印制造技術(shù)來制作該復(fù)雜的喇叭天線，經(jīng)過三維建模、分層切片、疊加打印等工藝流程最后制作出如圖4所示的喇叭天線。

表1 喇叭天線制作工藝分析

序號制作工藝工藝過程工程應(yīng)用模具或工裝成本周期1機(jī)械加工下料-粗加工-熱處理-精加工-表面處理制作形狀簡單規(guī)則的零件需要夾具工裝一般長2拼焊下料-分體加工-拼焊制作相對簡單的批量零件需要焊接工裝一般長3整體線切割下料-打底孔-線切割制作內(nèi)腔形狀簡單的零件不需要模具或工裝高特別長4精密鑄造制模-澆鑄-脫模制作形狀較復(fù)雜,精度要求較高的批量零件需要制作模具高特別長5電鑄制品圖樣—模型制作—表面處理—電鑄成形制作形狀復(fù)雜,精度要求高的單個空心零件需要制作模具高特別長63D打印三維建模-分層切片-疊加打印制作形狀特別復(fù)雜,精度要求高的單個空心零件不需要模具或工裝高短

圖5、圖6分別為該喇叭天線的駐波比及方向圖仿真和測試結(jié)果，從測試結(jié)果可知，3D打印出來的喇叭陣列天線在工作帶寬內(nèi)，駐波比及方向圖特性較好，損耗較小，極化純度較高，能夠滿足實際工程需求。(注：由于該喇叭內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法采用機(jī)械加工的方式，因此沒有機(jī)械加工喇叭的測試結(jié)果)

圖4 3D打印制作的喇叭天線

圖5 仿真及實測駐波比隨頻率變化曲線

圖6 方位面中頻方向圖(法線方向)

5 結(jié)束語

本文介紹了3D打印制造技術(shù)在某復(fù)雜喇叭天線制作中的應(yīng)用，測試結(jié)果表明利用3D打印制造技術(shù)制作的喇叭天線，駐波比小于2.1，天線方向圖特性良好，能夠滿足實際工程需要。3D打印制造技術(shù)可以作為天線制作的新方法和新工藝，隨著加工成本的降低、加工精度的提高、打印材料品種多樣化等技術(shù)的突破，3D打印技術(shù)在天線制作中將會更普及、更廣泛，這為3D打印技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)寬了新的領(lǐng)域。