用金属增材制造实现最佳设计

寂静回声

“设计3D打印的天线需要一种新的结构思考方式。早期使用3D打印的人只制作了原型和工具，这种思路仍然相当普遍。但我们公司是建立在一个利基市场上的，从一开始就采用3D打印这样的生产方法。我们正在用这种方法来解决终端用户面临的挑战。”Optisys的首席执行官Clinton Cathey说。
Cathey和首席运营官Rob Smith在犹他州的West Jordan成立了Optisys，公司员工包含了一群拥有丰富经验的专家，其中包括射频（RF）设计、卫星通信、机械工程和增材制造（AM）。
行业空白
正是用增材制造来整合零部件的灵感推动了他们创立Optisys，Smith解释说：“我们坚信，3D打印将能帮助我们解决过去制造天线的许多问题。”

带反射器的飞机天线(碗形)、天线馈电（水平地置于中心）和一个正交模转换器 (突出在后面)，通过3D打印可以对后两者进行优化设计。
传统的制造方法会影响射频（RF）性能。这些问题增加了传统天线制造的时间和成本, 因为在传统的设计中，通常有100个或更多的单独的金属零部件，包括中空的矩形波导, 它负责传输电磁能量（连同数据一起），一般通过钎焊、电火花加工或多个螺栓将其连接。
这样的零件集合大而长，并且具有独特的形状, 可能产生会干扰数据流的内部几何形状。
“每一个接头、接缝或紧固件都有可能造成损害射频性能的不连续点，因为信号是通过天线传播的，”Smith说，“不管你的螺丝有多紧，都会增加很多可变性。”

Optisys的首席执行官Clinton Cathey在检查用Concept Laser激光器生产的微波波导一体化组件。
Smith解释说, 当100个或更多的部件连接在一起时,“你必须检查每一个单独的部分，然后将它们全部放在一起, 并祈祷它能获得更好的整体射频性能。每个零部件的公差必须非常精确，当你将如此多的零件组合在一起时, 你很可能产生非常明显的公差叠加，最后完全偏离目标。”
用增材制造实现系统工程
通过3D打印，工程团队将一个包含100个零部件的天线组件整合成一个一体化的部件，并通过增材制造的方法来制造。由于将天线组件视为一个集成结构，其中所有零部件都整合成一体，该团队成功地将投产准备阶段从11个月缩短到2个月，重量也减少了95%以上，生产成本降低了最多25%。

左：Optisys设计和制造了这个一体化的天线零件，通过用增材制造的方法将100个零件优化设计成一个整体的部件。右：高频电磁场模拟，用于分析和优化3D打印天线设计的最佳射频性能。
Cathey说：“我们做了测试来验证我们的想法，将零件拿给客户以获得他们的反馈，然后对解决问题的方案进行测试。”
该研究小组得出结论，增材制造生产的较小尺寸的产品能大大缩短射频信号在系统内传输的总距离。
定向的微波天线一般用于卫星和视距通信、飞机和无人机，在1GHz至100GHz频段运行。在这些领域，轻量化设计是非常重要的。
Cathey指出：“我们找到了3D打印的用武之地，这项技术能提供许多优势，而且能提升经济效益。我们的Ka波段单脉冲跟踪阵列的射频频率能达到30GHz，其他公司的只能达到15GHz。”
类似的设计已经通过严格的军事振动测试。之后Optisys设计的RF容量最高已达50GHz。
金属增材制造的设计
现在，Optisys工程师不需要以预先构思的几何形状为基础来进行设计，而是可以从如何满足产品的射频要求出发来考虑产品的设计。
Optisys的首席运营官Rob Smith解释说：“由于增材制造有效整合了零件，我们有充分的自由去实现最佳射频输出，而不需要考虑一些额外的要求，如单个零件的公差。如何进行检测也是一个挑战，因为内部的几何形状非常关键，而通常又不能直接测量。”
下一步， 该公司的RF专家Mike Hollenbeck利用Ansys HFSS软件进行微波仿真，用来模拟该阵列气流腔内的高频电磁场。

这是由Optisys设计，并用一台Concept Laser的激光设备制造的3D打印金属天线馈电。
Smith先生说：“Mike和我在确定最符合要求的气流腔设计时有一些举棋不定，然后我们将文件导入到SolidWorks中，以确定形成气流腔的铝壁的最佳厚度，最终得到的设计可以作为单个金属组件来用3D打印实现。“
Smith先生利用自己的经验和直觉创造了理想的设计工艺，并通过3D打印来制造一体化的组件。他还在需要时用Autodesk Within软件增加支撑结构, 用SolidWorks和Magics来合并结果。
Smith先生说：“这些集成的支撑结构稳定了整个组件的几何结构，并将热量带走，因此我们不会在收缩位置发生应力集中，并在运行时为整个系统提供支撑。”
其他好处
最终的设计是用Concept Laser金属增材制造设备来生产，该设备使用LaserCUSING工艺，这是一种基于粉末床的金属激光熔融技术。
不管是地面环境还是太空中，铝作为优选材料，比塑料更能承受来自周围环境的应力，并且拥有相同的性能。
Cathey对Optisys的未来持乐观态度。“我们的竞争优势建立在，针对一些利基应用来将定制化的系统工程、设计和增材制造进行有机整合。金属3D打印仍将是我们发展的关键之处。”