四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)與SLM成形

　　摘要：針對(duì)當(dāng)前星載四臂螺旋天線設(shè)計(jì)復(fù)雜、加工難度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，同時(shí)為滿足其高可靠、低成本、快速制造的需求，提出了一種基于激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(SLM)的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)與制備方法。該方法結(jié)合SLM成形工藝特點(diǎn)，對(duì)四臂螺旋一體化天線進(jìn)行了電設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并通過(guò)SLM工藝參數(shù)優(yōu)化，完成了一體化四臂螺旋天線的制備。零件數(shù)由原來(lái)的11個(gè)縮減為3個(gè)，天線重量大幅降低;同時(shí)力學(xué)性能顯著提高，電性能滿足設(shè)計(jì)要求，證明了基于SLM成形工藝的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)和制備方法的可行性。

　　劉大勇; 洪元; 李青; 楊立明; 李立洲; 遲百宏， 金屬加工(熱加工) 發(fā)表時(shí)間：2021-09-29

　　關(guān)鍵詞：SLM成形;四臂螺旋天線;一體化設(shè)計(jì);電性能;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);快速制造;對(duì)比分析

　　1 序言

　　新一代航空航天裝備逐漸向輕量化、結(jié)構(gòu)復(fù)雜化、功能多樣化，以及高可靠、長(zhǎng)壽命及低成本的方向不斷發(fā)展，同時(shí)航天材料及其成形技術(shù)也正朝向整體化、復(fù)雜化和精密化的方向迅速發(fā)展[1，2]。增材制造技術(shù)的發(fā)展突破了制造業(yè)的傳統(tǒng)模式，該技術(shù)適合于新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、單件或少批量產(chǎn)品試制等[3]，特別是針對(duì)航天產(chǎn)品批量小、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化快的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)制造過(guò)程信息的快捷、準(zhǔn)確傳遞。增材制造技術(shù)在航天制造領(lǐng)域中的應(yīng)用，不僅能有效降低成本，縮短制造的周期，還能夠有效提升零部件性能[4]。

　　激光選區(qū)熔化成形技術(shù)(S e l e c t i v e L a s e r Melting，SLM)是在快速原型制造和激光熔覆技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的從三維數(shù)字模型概念設(shè)計(jì)到三維實(shí)體柔性制造一體化的先進(jìn)制造技術(shù)[5-7]，是一種高性能金屬零件3D打印技術(shù)。相對(duì)于其他金屬零件3D 打印技術(shù)，SLM的優(yōu)勢(shì)在于可得到完全冶金結(jié)合的金屬制件，致密度接近100%;制件有較低的表面粗糙度值、較高的抗拉強(qiáng)度和尺寸精度，制件僅需噴砂或后續(xù)少量機(jī)械加工等簡(jiǎn)單處理即可直接作為合格零件使用。因此，該技術(shù)在基于鈦合金及其復(fù)合材料的復(fù)雜整體構(gòu)件成形方面具有廣闊的應(yīng)用前景[8]。

　　四臂螺旋天線由于具有較寬的圓極化輻射波束，可以在較低的仰角位置上保持較高的增益，且具有結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，所以在北斗與GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[9]。 20世紀(jì)40年代已開(kāi)始了四臂螺旋天線的研究[10]，早期的四臂螺旋天線因設(shè)計(jì)加工的局限性，致使體積較大、加工困難，不容易批量生產(chǎn)。 RABEMANANTSOA J等[11]設(shè)計(jì)了一種利用曲折線法實(shí)現(xiàn)小型化的四臂螺旋天線，通過(guò)折疊螺旋臂使天線體積大大減小，且該天線工作在GPS的L1和L2 頻段均具有十分理想的增益與圓極化特性，非常適合用作GPS接收天線。上海交通大學(xué)[12]設(shè)計(jì)的一款三頻段的四臂螺旋天線，天線整體構(gòu)造緊湊，輻射方向波束很寬，具有高增益及低副瓣特性，并且相位中心非常穩(wěn)定，使測(cè)量精度大大提高。

　　綜上所述，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)性能及可制造性雖然有了很大提高，但天線的設(shè)計(jì)和制造均局限于傳統(tǒng)制造工藝。

　　本文以星載四臂螺旋天線為研究對(duì)象，針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)和制備四臂螺旋天線過(guò)程的加工工藝復(fù)雜、工藝穩(wěn)定性差，以及制件的電性能不穩(wěn)定、生產(chǎn)周期過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)題，研究基于SLM成形工藝的高可靠、低成本、快速制造的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)及制備方法，為星載天線的先進(jìn)制造開(kāi)展技術(shù)驗(yàn)證。

　　2 基于SLM成形的四臂螺旋一體化天線電設(shè)計(jì)

　　針對(duì)四臂螺旋天線中螺旋線在振動(dòng)過(guò)程中易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，螺旋線徑向、軸向位置精度難以保證等問(wèn)題，以及天線對(duì)力學(xué)性能、電性能和空間環(huán)境適應(yīng)性的要求，選擇TC4鈦合金(Ti6Al4V)作為打印材料。TC4鈦合金強(qiáng)度高，導(dǎo)電性、綜合力學(xué)性能和加工性能良好，并作為增材制造應(yīng)用成熟的金屬材料，滿足選用要求。

　　2.1 天線電設(shè)計(jì)

　　基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)的天線電仿真模型與基于SLM成形工藝設(shè)計(jì)的天線電仿真模型，如圖 1所示。

　　結(jié)合SLM成形工藝特點(diǎn)，對(duì)天線電仿真模型進(jìn)行適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)：①將內(nèi)導(dǎo)體阻抗變換段由傳統(tǒng)的階梯形式變成了圓弧過(guò)渡，以消除對(duì)天線輸入阻抗產(chǎn)生的影響。②將天線外導(dǎo)體根部與反射板過(guò)渡段，由階梯結(jié)構(gòu)改為等直徑結(jié)構(gòu)，并增加圓角過(guò)渡等。通過(guò)迭代仿真驗(yàn)證，使天線在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的同時(shí)，又滿足SLM成形工藝要求。基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝天線電仿真結(jié)果與SLM成形工藝天線電仿真結(jié)果對(duì)比，如圖2~圖5所示。

　　由仿真結(jié)果可知，基于SLM成形工藝的設(shè)計(jì)方案，天線的端口駐波比向低頻輕微偏移，其左旋化分量抬升了15dB，但天線右旋圓極化增益基本不受影響，天線指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，天線結(jié)構(gòu)將依據(jù)該方案進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)。

　　2.2 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)，分為外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、大徑螺旋線、小徑螺旋線、頂面介質(zhì)及底座介質(zhì)等11個(gè)零件，如圖6a所示。由于各零件需分別加工后，再進(jìn)行裝配、焊接，組成天線裝配體，故設(shè)計(jì)、加工、組裝周期較長(zhǎng)。另外，基于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝的螺旋線在模具成形及與外導(dǎo)體焊接過(guò)程中，由于產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致螺旋線徑向、軸向的尺寸不穩(wěn)定，并存在裝配誤差，故天線的一致性差。

　　結(jié)合SLM成形工藝與四臂螺旋天線結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6b所示，僅包含天線螺旋體、輔助支撐零件頂面介質(zhì)和底座介質(zhì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了多處裝配、焊接工序，設(shè)計(jì)、加工、組裝周期大幅縮短，提高了生產(chǎn)效率。具體設(shè)計(jì)方法如下。

　　1)將外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、大徑螺旋線、小徑螺旋線、連接環(huán)合并為一個(gè)零件，這在一定程度上消除了螺旋線內(nèi)部應(yīng)力及裝配誤差，提高了產(chǎn)品的一致性。

　　2)通過(guò)頂面介質(zhì)優(yōu)化設(shè)計(jì)，替代原設(shè)計(jì)中頂帽加頂面介質(zhì)的設(shè)計(jì)方式。

　　3)除去傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝中外導(dǎo)體底部外側(cè)臺(tái)階，以避免引入過(guò)多支撐增加后處理難度。

　　4)內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體階梯段增加過(guò)渡倒角、圓角結(jié)構(gòu)，可提高階梯段的連接強(qiáng)度與整體強(qiáng)度、剛度與穩(wěn)定性，以解決階梯段臺(tái)階面區(qū)域連接面積較小、易層間斷裂的問(wèn)題。

　　5)外導(dǎo)體的內(nèi)腔結(jié)構(gòu)增加過(guò)渡倒角、圓角結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)，從而避免內(nèi)部結(jié)構(gòu)中因凸臺(tái)或斜角角度過(guò)大引入的支撐無(wú)法去除問(wèn)題。

　　6)底座圓盤(pán)設(shè)計(jì)厚度大于傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)，以減少天線底座圓盤(pán)增材制造過(guò)程中的變形、開(kāi)裂等問(wèn)題，并在后期去應(yīng)力處理后采用線切割方式減薄。

　　基于SLM成形工藝的天線結(jié)構(gòu)模型與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模型對(duì)比如圖6所示。

　　與此同時(shí)，根據(jù)材料特性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，依據(jù)天線常用力學(xué)環(huán)境條件，對(duì)兩種不同工藝制造的四臂螺旋天線開(kāi)展了力學(xué)分析。由于傳統(tǒng)機(jī)械加工的天線主體部分主要材質(zhì)為銅，而SLM成形天線為 TC4合金，所以基于SLM成形的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)不僅重量大幅降低，而且通過(guò)強(qiáng)度校核與仿真，其正弦、振動(dòng)和沖擊條件下的安全裕度較傳統(tǒng)機(jī)械加工方案均顯著提高。

　　3 天線SLM成形

　　為了提升四臂螺旋天線的成形質(zhì)量，對(duì)熔池寬度、激光間距、掃描速度及層厚等工藝參數(shù)進(jìn)行正交試驗(yàn)對(duì)比分析。

　　1)激光功率為95W，選擇0.05mm和0.08mm兩個(gè)典型熔池寬度。

　　2)激光間距選擇0.05mm、0.1mm和0.2mm等3 個(gè)參數(shù)。

　　3)掃描速度選擇400mm/s、600mm/s、800mm/s、 900mm/s、1000mm/s、1100mm/s、1200mm/s、 1300mm/s和1400mm/s共9個(gè)參數(shù)。

　　4)掃描層厚選擇25μm、35μm、50μm。

　　通過(guò)對(duì)成形件變形控制、成形件預(yù)應(yīng)力、成形件表面質(zhì)量，以及隨爐樣條力學(xué)性能等方面綜合考慮，確定最佳工藝參數(shù)為：激光器功率為95W，結(jié)構(gòu)內(nèi)輪廓及外輪廓的掃描速度為400mm/s，結(jié)構(gòu)支撐及實(shí)體部分的掃描速度為900mm/s，層厚25μm。

　　同時(shí)，為了降低天線成形過(guò)程熱應(yīng)力造成天線變形，以及支撐結(jié)構(gòu)的去除難度，天線底盤(pán)及四臂螺旋線位置的支撐結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。此外，天線底面成形時(shí)，采用“島形原理”的隨機(jī)曝光策略，將天線底面的每一層分成若干片段，隨機(jī)燒結(jié)成形，有效降低了天線底面熔融成形過(guò)程的內(nèi)應(yīng)力，避免開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。天線成形后，為了滿足天線電性能要求，通過(guò)噴砂對(duì)其進(jìn)行表面粗糙度處理，實(shí)物天線如圖7所示。

　　4 天線電性能對(duì)比測(cè)試

　　本文對(duì)兩種不同成形工藝制備天線的增益及軸比性能進(jìn)行了測(cè)試，相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)如圖8~圖11所示。

　　由測(cè)試結(jié)果可知，基于SLM成形的天線右旋圓極化增益與傳統(tǒng)加工的天線相比，基本一致，雖左旋分量比傳統(tǒng)方法高了約10dB，導(dǎo)致軸比有所超差，但是與仿真預(yù)期是比較吻合的，滿足了天線實(shí)際指標(biāo)要求。

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　1)本文提出了一種SLM成形的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)及制備的新方法，并依據(jù)天線應(yīng)用的電性能及力學(xué)性能指標(biāo)要求，利用SLM工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制備了一體化天線，大大提高了制造精度、簡(jiǎn)化了工藝流程，并明顯縮短了研制周期，降低了制造成本。天線總零件數(shù)由原來(lái)的11個(gè)減為3個(gè)，生產(chǎn)、調(diào)試周期由20多天縮短為6天，制造成本降低 60%~80%。

　　2)通過(guò)兩種成形工藝天線的實(shí)物測(cè)試結(jié)果對(duì)比可知，雖然一體化制備的天線較傳統(tǒng)加工天線的軸比有所降低，且駐波比向低頻略微偏移，但電壓駐波比、增益及軸比均滿足使用要求，并且在力學(xué)性能顯著提高的同時(shí)大幅降低了天線質(zhì)量。

　　本文證明了基于SLM成形的四臂螺旋天線一體化設(shè)計(jì)與制備方法的可行性，也為同類產(chǎn)品的高可 靠、低成本和快速制備提供了新思路。