3D打印技術在天線及天線罩制作方面的應用

杜 睿，嚴厚偉，張曉慶

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引 言

3D打印具有節省材料、縮短生產周期等優點，隨著3D打印技術的成熟，近年來，3D打印被逐漸應用于生產制造、建筑設計、生物醫療、交通運輸、科學實驗甚至是航空航天、天線雷達等各個方面。

在戰場上，隨時需要隱蔽、保護己方和欺騙、迷惑敵方，由于3D打印機能直接利用塑料、鋼鐵和鋁等材料打印戰場所需的一些零部件和特殊裝備，制造偽裝防護器材，對于遮障、假目標、植被、蒙皮和偽裝網等偽裝防護器材有著廣泛的改進空間，因此被逐漸應用于軍事制造方面。2015年，美國國家航空航天局(NASA)完成首臺3D打印成像望遠鏡，NASA也因此成為首家嘗試使用3D打印技術制造整臺儀器的單位。同年，俄羅斯技術集團公司采用3D打印技術制造出一架無人機，實際生產耗時僅為31 h，制造成本不到20萬盧布，縮短了生產周期，節約了成本[1]。

本文首先將3D打印技術與傳統制造技術進行對比，3D打印具有環保、打印周期短、操作簡單安全等優點。由于天線制作在傳統制作行業中性能要求較高，對3D打印與傳統工藝在天線制作上進行簡單對比，通過對比可知，3D打印具有短周期、高精度、無需模具的優點。然后對比了幾種常見的3D打印工藝，選取熔融堆積成形(FDM)模式進行研究。

本文第二部分介紹了幾例3D打印在天線、天線罩領域的應用，并用SolidWorks對某衛星導航天線罩和某偵察系統0.38～2 GHz波段天線建模,并將STP格式文件轉化成3D打印機可識別的.STL格式文件，用軟件Repetier-Host(后文中簡稱為RH)對2種天線罩進行切片，轉化成切片模型后，研究其3D打印速度及質量。以某偵察系統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0.38～2 GHz波段天線部分分析流程圖

1 3D打印與傳統制作技術

1.1 3D打印技術

3D打印是一種快速成型的技術，以數字模型文件為基礎：(1)在計算機軟件CAD、 SolidWorks、3DMAX或openscad等建立的STL(立體光刻)或OBJ(標準3D模型文件)格式的3D模型；(2)在3D打印設備中利用RH、Print3D等軟件，對已建立模型進行分層切片，得到三維切片模擬打印圖形；(3)在切片軟件中根據打印機要求對模型的大小、方向、位置等形狀特征進行適當調整，同時可以設計模型的填充度、層高、打印速度等參數；(4)將切片圖形轉化成打印機可識別的G代碼進行打印；(5)打印機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打印與傳統制作技術對比

由于3D打印可制造復雜物品，產品多樣化，成本低，制作周期短，無須組裝，設計空間無限，零技能制造，不占空間，便攜制造，減少廢棄副產品，材料無限組合，可精確地實體復制等優勢而被廣泛應用。對3D打印與傳統制作技術加工做多方面對比，結果如表1所示。

表1 3D打印與傳統制作技術

通過3D打印與傳統制作技術的對比，3D打印技術具有更優良的特點：環保，打印周期短，操作簡單安全，不需要固定生產地點；但是打印材料的局限性、打印批量小、適用行業有待開發也制約著3D打印技術的推廣。

1.3 3D打印在天線方面的應用

3D打印在天線行業也有許多應用，在文獻[2]中,某研究所曾做過這樣的研究，設計了一款復雜的喇叭發射天線。由于該天線外形為2排 8 列共 16 個喇叭口相互交錯分布，相鄰間距小，形狀獨特，傳統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，實驗結果符合應用條件[2]。

文獻[3]介紹的是一種DMLS(直接金屬激光燒結)技術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X波段，減小了傳統工藝制作的重量，縮短了周期，為輕質波導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[4]所述為DMLS技術打印的3D單通道天線,該天線集成了一個N型饋源,可應用于寬帶，這款3D打印天線的實驗數據與仿真結果高度吻合，在4.6～8.2 GHz的寬帶上測量的電壓駐波比(VSWR)值小于2，該應用完美解決了螺旋、分形天線以及形狀復雜天線的制作[4]。

文獻[5]介紹了一種 S 型脊喇叭陣列天線，為實現寬頻帶、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，實測低頻、中頻、高頻性能符合要求[5]。

文獻[6] 采用三維掃描技術獲取某衛星導航天線罩實物外表面的點云數據，借助獲取的數據重新構造該天線罩，并采用3D打印介電常數和介電損耗角正切小且穩的石英陶瓷材料得到天線罩。當切片厚度為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,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,無線電波穿透能力較強,反射少,不會產生較大的損耗，具有優良的性能[6]。

綜上，將傳統天線制作工藝與3D打印相比較，結果見表2。

表2 天線制作工藝分析

在天線制作中，通過對幾種傳統制作工藝與3D打印對比可知，3D打印具有短周期、高精度、無需模具的優點；在形狀復雜的器件制作中同樣適用，但是相對于傳統制造工藝，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 (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對常見的幾種3D打印技術使用的材料、制件性能、用途及工藝特點進行簡單分析。

通過對常見的幾種3D打印材料的對比，SLA具有精度高、表面質量好的工藝特點，主要用于高精度塑料件、鑄造用蠟模；SLS、 FDM具有優良的力學性能、高強度，被廣泛應用于塑料件、樣件模型；LOM具有低成本、高打印速度等特點，應用于產品樣件、模型等。

由于熔融堆積成形FDM主要應用于塑料件、樣件等，并且成型零件具有力學性能好、強度高、成本低等性能，本文采用FDM對某衛星導航天線罩及偵察系統某波段天線罩切片進行研究。

2 利用SolidWorks對2種天線及天線罩建模

為了方便進行天線罩材料屬性選定、模型多方位檢查、易轉化.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打印技術工藝對比

2.1 利用SolidWorks對某衛星導航天線罩建模

依照圖4所示的平面圖，利用SolidWorks軟件對某衛星導航天線罩建立3D模型，首先選用前視基準面，利用草圖繪制、旋轉拉伸等方式，建立如圖5所示的該衛星導航天線罩四視圖。天線罩建模材料為玻璃鋼(含Si3N4的高濃度化合物)，玻璃鋼材料質量密度、張力強度、熱導率如圖6所示，其中質量密度為3 200 kg/m3。

圖4 某衛星導航天線罩尺寸圖

2.2 利用SolidWorks對某電磁定位系統0.38～2 GHz天線建模

圖5 某衛星導航天線罩建模四視圖

圖6 某衛星導航天線物罩建模材料屬性

圖7 某電磁定位系統0.38～2 GHz天線實物圖

圖8 某電磁定位系統0.38～2 GHz天線尺寸圖

某電磁定位系統0.38～2 GHz天線實物圖如圖7所示，天線尺寸圖如圖8所示，利用SolidWorks軟件對該天線各部分(腔體、FR-4板材螺旋面、支柱、天線蓋)進行建模，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0.38～2 GHz天線建模材料屬性

圖11 某電磁定位系統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等三維模型文件轉化成.STL格式文件，經過Cura,Slic3r等切片模式后，轉化成3D打印可識別的G代碼。本文為方便后文3D打印速度及質量分析，2種天線、天線罩模型轉換時均選擇Cura模式，具體參數如圖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,外邊緣打印速度設置為32 mm/s。

圖12 RH軟件參數設置界面

3.1 利用RH軟件對某衛星導航天線罩切片分析

將SolidWorks建立的某衛星導航天線罩模型圖(圖5所示)轉換成3D打印機可打印的.STL格式，用3D切片軟件RH打開，對已建立的模型進行分層切片，得到三維打印圖形，其3D切片圖如圖13所示，并理論計算所需材料重量。

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

圖13 某衛星導航天線罩3D仿真圖

3.2 利用R-H軟件對某電磁定位偵察系統0.38～2 GHz波段天線建模

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

為方便RH軟件切片，快速計算出所用材料質量，以原圖0.17倍切片，3D切片圖見圖14。打印速度、出料直徑、填充率等設置如圖12所示。當填充率為95%，直徑為1 mm時，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(聚四氟乙烯質量密度為2 200 kg/m3，FR-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),采用傳統工藝制作該天線質量為0.58～0.66 kg。

圖14 某電磁定位系統0.38～2 GHz天線3D切片圖

經過對2種天線及天線罩建模、切片、3D打印分析，與傳統工藝相比，某衛星導航天線罩3D模擬打印重量約為傳統工藝重量的1/3,某電磁定位偵察系統某波段天線3D模擬打印重量約為傳統工藝重量的1/2。2種天線罩建模、模擬打印時間均在1周內，遠遠縮短了制作周期。

4 結束語

未來戰場對于遮障、假目標、天線器材性能多方面要求會越來越高，敵方識別目標干擾的能力也會逐漸提升，這是一個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打印能打印戰場所需的一些零部件和器材，同時3D打印具有環保、周期短、精度高、操作簡單安全、不需要固定生產地點等特點。未來3D打印在天線制作及軍事中將得到更多更普遍的應用。