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打印機通過久經(jīng)驗證的工藝和LaserForm AlSi10Mg（A）材料，使新部件的設(shè)計通過了空中客車防務(wù)及航天公司（Airbus Defence and Space）的嚴(yán)苛測試。

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

過去兩年（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，因為這項技術(shù)已經(jīng)快速從原型制作轉(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3D打印的射頻（RF）濾波器經(jīng)過測試和驗證，可以被用于商業(yè)通信衛(wèi)星。這個項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)。

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年前的第一個航空通信系統(tǒng)。濾波器的作用如同交警一樣，允許某一個頻率范圍內(nèi)的信號能通過，頻率范圍之外的信號均不能通過。

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

行業(yè)的主要趨勢是增加單個衛(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個射頻濾波器和超過600個波導(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。

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2萬美元的成本。持續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計和減少生產(chǎn)時間也是關(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)時間恰是直接金屬打印可以提供的。這個射頻濾波器項目使用3D Systems的ProX DMP 320，幫助制造商整合濾波器分體部件，通過改進(jìn)濾波器形狀和表面來提升其功能，而這是傳統(tǒng)制造方式無法提供的，定制型的設(shè)計也有效降低了濾波器的生產(chǎn)時間和成本。當(dāng)然在提升材料強度的同時還使濾波器更輕質(zhì)。

ProX DMP 320

3D Systems比利時魯汶的生產(chǎn)中心在ProX DMP 320測試階段的時候就已經(jīng)驗證打印機的應(yīng)用。成功的項目有航天驗證部件的拓?fù)鋬?yōu)化、減重和整合，比如通信衛(wèi)星的支架和支柱配件。空中客車防務(wù)及航天公司的項目是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，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_保每個部件的性能、致密度和化學(xué)純度。

突破性的創(chuàng)新設(shè)計

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

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部分通過加工固定在一起。顯然這樣做的話重量會比較重，需要裝配的部分也會增加生產(chǎn)時間，還需要額外的質(zhì)量評估。

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

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)計上不受局限，也沒有額外的生產(chǎn)成本。

CST MWS是是德國CST公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件，用于設(shè)計3D打印的射頻濾波器，僅需花費少量時間在設(shè)計優(yōu)化上。3D打印帶來的制造上的靈活性造就了濾波器凹陷型超橢圓設(shè)計的腔體。獨特的形狀有助于RF電流的通過，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)效率的測量方法-和外來信號的屏蔽。

3D Systems魯汶中心的項目工程師科恩·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，現(xiàn)在我們要做的是考慮如何設(shè)計。這個項目是典型的形隨機能的示范。“

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

位于英國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·布斯說到：“3D打印帶來的整體式設(shè)計，其主要優(yōu)勢是數(shù)量、成本和時間。因為濾波器不再需要緊固件來將部件結(jié)合在一起，所以部件數(shù)量其實減少了。使用直接金屬打印，還有一個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)時間的優(yōu)勢來源于裝配和后處理時間的縮短�！�

“我們意識到這不僅是使用一臺好的設(shè)備制造部件的事情，還是3D Systems制造工藝優(yōu)勢的真實體現(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)為是一個問題，但是經(jīng)過空中客車防務(wù)及航天公司的廣泛測試，這種顧慮消除了。

布斯說：“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。但是塑造一個更有效的濾波器部件的能力遠(yuǎn)超過克服表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問題�！�

布斯表示：“我對于3D Systems為我們做的這些，我們非常欣賞，公司內(nèi)部對于濾波器表面光潔度也有諸多好評。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�！�

通過嚴(yán)苛測試

ProX DMP 320打印的三個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其進(jìn)行了測試。模擬測試樣件在發(fā)射和軌道運行時的條件，包括震動、沖擊和受熱的情況，例如極限溫度和真空條件下。三個鋁樣件滿足，甚至超過客戶需求。部件最好的性能來自于通過電解過程鍍銀的濾波器。

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

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

巨大的潛在投資回報率

現(xiàn)在打印部件的工藝過程已經(jīng)被驗證，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率了。CFO對這個項目的投資回報率非常滿意：周轉(zhuǎn)時間快、生產(chǎn)成本降低且部件減重了50%！

“在不浪費大量時間對部件進(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，對支撐結(jié)構(gòu)的要求也較低，這也無形中進(jìn)一步降低了重量�！�

“這個項目的成功開啟了射頻濾波器的機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)的運行中。在對部件減重的同時縮短生產(chǎn)時間和成本上面還有巨大的潛力等待發(fā)掘�！�

來源：3D SYSTEMS