一種衛星導航天線罩凝膠成型模具的設計與3D打印

蔣三生 ，周 洋

(1. 北京農業職業學院，北京 102208；2. 北京交通大學，北京 100044)

0 引 言

衛星導航天線罩是用于保護移動天線及其通訊系統能夠正常工作的重要設備，天線罩的結構設計不僅需要考慮其技術性(透波性)，還要兼顧安全性、美觀性、耐用性等指標。衛星導航天線罩通常選擇介電常數較小的非金屬材料，這種材料的無線電波穿透能力較強，反射少，不會產生較大的損耗。石英陶瓷具有介電常數和介電損耗角正切小且穩定，優良的電氣絕緣和透波性能、耐雨蝕、線脹系數小、熱震穩定性好等優點，是復雜環境下衛星導航天線罩(如導彈和雷達天線罩等)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來制備天線罩坯體，這不僅可以提高石英陶瓷坯體的質量，還能解決天線罩結構復雜、難以成型的技術難題[3]。針對各種形狀的衛星導航天線罩，其傳統模具的設計和制造周期長、成本高，非常不利于天線罩的結構創新和優化設計，而3D打印作為一種新型的模具制造工藝，近年來發展迅速，能應用于醫療、建筑、美術、航天等領域。因此，利用3D打印技術完成衛星導航天線罩凝膠成型模具的制造，將極大的縮短研發和制造周期，降低研究成本，提高工作效率，為衛星導航天線罩的結構創新和優化設計等提供幫助。

針對天線罩結構的設計研究，文獻[4]利用三維制圖軟件對球狀天線罩的結構進了三維設計，并將模型導入天線分析軟件下對天線罩進行電磁特行分析，測定該波段內的電磁波在穿過某種典型媒質半波長夾層時的介電損耗和透波系數；文獻[5]對某動中通天線罩進行了改進設計，提高其防水密封和通風散熱等性能，增加穩定性和可靠性；文獻[6]基于徑向基函數RBF技術，利用求反技術得到天線罩模具的復雜曲面和三維造型。基于3D打印技術在模具制造領域的研究情況，文獻[7]提出了一種基于光固化成型技術的渦輪葉片快速制造方法，能根據渦輪葉片的結構特點設計蠟模模具及其冷卻結構，采用光固化成型技術制造模具型殼和內植冷卻流道，基于凝膠注模方法將氧化鋁等陶瓷粉末填充于模具內腔，實現了渦輪葉片蠟模模具的快速制造；文獻[8]對注塑模具中的圓柱、矩形結構，采用選擇性激光熔化(SLM)方式進行了3D打印。

1 模具設計及工作流程

1.1 衛星導航天線罩的模型獲取及精度分析

以某型號衛星導航天線罩的實物為研究案例，通過三維掃描技術獲得其外表面的點云數據，重構天線罩外表面的曲面模型，再根據實測的壁厚尺寸設計整體的三維模型，其最終的零件結構如圖1所示，天線罩底座的外徑為Φ436 mm，開口內徑為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，將優化后的掃描點云數據與三維理論模型進行了3D偏差對比分析(偏差范圍設為± 0.01 m)，結果見圖2和表1所示。圖2顯示了3D對比的標準偏差為0.0011 m，正偏差平均值為+0.0009 m，負偏差平均值為-0.0010 m。表1統計了偏差范圍內點云個數及百分比，精度在-0.0026 m ～ +0.0026 m之間的點云占比達到99.3923%。通過以上數據可知，三維逆向掃描的精度較高，標準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 凝膠成型模具的結構設計

衛星導航天線罩一般呈現為圓錐型、半圓球型、刀型等結構特征，具備軸對稱或回轉體的結構屬性。設計圖1所示衛星導航天線罩的結構尺寸時，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、外徑的尺寸，由公式(1)計算成型模具內模的球面半徑r1，由公式(2)計算成型模具外模的球面半徑r2。考慮體積收縮變化時，假定天線罩薄壁件的體積中心線不發生位移，兩側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 不同偏差范圍內的點云數量統計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為天線罩球面的內徑；R2為天線罩球面的外徑；r1為天線罩內模的球面半徑；r2為天線罩外模的球面半徑。

模具的具體裝配結構如圖4所示，圖中Ⅰ為內模部分，Ⅱ為外模左側部分，Ⅲ為外模右側部分，Ⅳ為料漿倒入口；整個模具均為薄壁件，內、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構單元的小分子化合物，由低分子單體合成聚合物的反應成為聚合反應，分為鏈式聚合和逐步聚合兩類。本實驗研究所用的單體丙稀酰胺，其反應過程為自由基聚合，這是一種鏈式反應，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、鏈增長、鏈轉移、鏈終止等基本反應[12]。

鏈引發反應過程就是引發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；鏈增長反應過程就是指單體自由基不斷地與單體分子發生加成反應形成新的自由基，并且這種加成反應一直進行下去，形成越來越長的鏈自由基的過程；鏈終止反應過程就是指鏈自由基反應活性中心消失，生成穩定大分子的過程，終止反應絕大多數為兩個鏈自由基之間的反應，其結果使得這兩個鏈自由基同時失去活性，聚合反應停止發生。

1.3.2 凝膠注模成型工藝流程

采用凝膠注模成型技術制備石英陶瓷天線罩的坯體時，其原理是利用有機高分子的交聯反應(單體聚合反應)，形成三維的網絡結構[13]，把陶瓷粉料包裹其中，從而固化成具有一定強度的坯體。首先通過靜電或位阻穩定作用使陶瓷粉末以較高的固相含量分散在含有交聯劑和分散劑的單體溶液中，制成低粘度的濃懸浮體；然后加入引發劑和催化劑后注入到模具中，并通過單體聚合反應使漿料原位固化成型；最后經過脫模、干燥、排膠和燒結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、有機單體、溶劑、交聯劑、分散劑)→混合球磨→除氣泡→澆注成型→凝膠化→脫模→干燥→排膠→燒結。對石英陶瓷進行凝膠注模成型研究時，傳統工藝中常采用水基凝膠體系，常用丙烯酰胺(AM)作為有機單體，N’N-亞甲基雙丙稀酰胺(MBAM)為交聯劑，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，過硫酸銨(APS)為引發劑，四甲基乙二胺(TEMED)為催化劑，并在注模成型前進行除氣泡處理。相關研究表明[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量較好，但單體丙烯酰胺是一種神經毒素，具有一定毒性，對人體健康和環境保護不利，使得以丙烯酰胺為凝膠體系的成形技術不能產業化。相關研究部門[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、高可靠性和高重復性的工業化方向發展。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，將內模安裝于外模具上，通過上表面的6個圓柱銷孔進行定位和固定；將配置好的料漿通過倒入口注塑到模具行腔內；待料漿完成聚合反應并成型后，從下往上取出內模，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 ℃左右的干燥箱內進行脫水，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打印作為國內外未來智能制造領域的重點發展技術，目前應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，FDM)、選擇性激光燒結(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；成型原理是引發劑受到照射或輻射后產生自由基，從而引發聚合反應，使當前層的樹脂交聯固化；打印制品精密度高，但對環境有一定的污染性；常用于模具制造、醫療等領域。

(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工件截面輪廓對薄膜進行切割，并逐層實現每一層薄膜的送進、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；常用于汽車工業等領域。

(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行加熱至合適溫度，由送絲裝置將材料送入到熱熔裝置進行熔化，并通過噴嘴在托盤表面逐層鋪設熔融狀的絲材，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、醫療、建筑、娛樂、電子、教育等領域。

(4)選擇性激光燒結(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行燒結，并與下面已成型部分實現粘結；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，但制件的力學性能差，表面質量差，致密度低，輔助工藝過程復雜；常用于汽車、造船、軍事、航天和航空等領域。

(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類似，區別在于金屬粉末在激光束的熱作用下實現了完全熔化；其打印過程不需黏結劑，適用于復雜部件的制造，加工周期短，復雜部件成本低，但初加工精度較低，需要二次加工，可選材質有限；常用于汽車、航空航天、注塑模具、生物醫療、油田能源等領域。

(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，但制品的表面質量和機械力學性能不高，僅限于模型或工藝品的打印制作；常用于彩陶工藝品等領域。

根據石英陶瓷天線罩成型模具的使用要求，它應具備較高的表面質量和尺寸精度，參照六種常見3D打印方法的相關工藝特點，本次實驗選用SLA立體光刻3D打印工藝實現模具的制造。SLA的成型過程是光敏樹脂在受到光照射或輻射后引發聚合反產生固化，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打印結果分析

選用SLA打印機(上海數造機電科技股份有限公司生產，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制造衛星導航天線罩的模具。由于3D打印機的最大打印尺寸限制，現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打印工藝參數及材料性能的測試結果見表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結果可知，當SLA工藝參數設置為切片厚度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±0.1 mm，抗彎曲強度達到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 結論及思考

(1)基于三維逆向掃描技術，可以獲得精度極高的天線罩曲面點云數據，通過3D偏差對比分析，其標準偏差為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%，此逆向設計的思路及方法，可以用于復雜天線罩的結構設計。

(2)以制備石英陶瓷透波天線罩為目標，設計了其凝膠注塑成型所需的模具結構，并基于SLA光固化3D打印技術制備了該模具。實驗研究結果表明，當SLA工藝參數設置為切片厚度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±0.1 mm，抗彎曲強度達到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，應進一步優化模具的結構和打印工藝參數，可將模具的壁厚減少到3-5 mm，從而降低生產成本。