过去两年(2015年和2016年)可以被看作是直接金属打印(DMP)在航空业的引爆点,因为这项技术已经从原型制作转变至至生产航天设备部件和装配件。在这段时间里,空中客车防务及航天公司同3D Systems合作,取得了重大突破:首个3D打印的射频(RF)滤波器经过测试和验证,可以被用于商业通信卫星。这个项目由欧洲航天局提供支持的,项目名称为A0/1-6776/11/NL/GLC:利用3D增材制造技术为优化的波导组件建模和设计。
在射频/微波系统中通常需要把信号频谱中有用的几个频率信号分离出来而滤除无用的其他频率信号,完成这一功能的设备称为滤波器。所以说,在无线通信系统中,滤波器是一种关键的射频部件。
图片:3D打印使空中客车防务及航天公司基于超椭圆形状来设计新的射频滤波器,来源3D Systems
行业的主要趋势是增加单个卫星内多波束的容量。高容量卫星,比如空中客车防务及航天公司制造的Eutelstat KA-SAT这样的高通量卫星可以携带近500个RF滤波器和超过600个的波导。由于是定制设计的,其中的大部分可以处理特定的频率。它们允许所选频道的频率通过,同时拒绝来自所选频道之外的信号。
通信卫星是航空业需要减重的典型-将其送入静止轨道,每公斤的重量就要耗费2万美元的成本。持续的创新设计和减少生产时间也是关键,大多数卫星的寿命约在10-15年。
需要减重、创新和减少生产时间恰是直接金属打印可以满足的关键点。这个射频滤波器项目使用3D Systems的ProX DMP 320,帮助制造商整合滤波器分体部件,通过改进滤波器形状和表面来提升其功能,而这是传统制造方式无法提供的,定制型的设计也有效降低了滤波器的生产时间和成本。当然在提升材料强度的同时还使滤波器更轻质。
空中客车防务及航天公司的项目是3D Systems鲁汶中心的首次进行射频滤波器制作的新挑战。3D Systems比利时鲁汶的生产中心在ProX DMP 320测试阶段的时候就已经验证打印机的应用。成功的项目有航天验证部件的拓扑优化、减重和一体化功能实现,比如通信卫星的支架和支柱配件。ProX DMP 320用于制作高精度部件,可对LaserForm系列的合金(钛,不锈钢,铝,镍,铬,钴铬)进行打印。
图片:由空中客车防务及航天公司设计的3D打印射频滤波器集成至卫星载荷,新滤波器比老款减重50%,来源3D Systems
ProX DMP 320在不同成型材料之间更换时,可替换制造模块增加了应用的多功能性和高效的设备利用率。可控的真空成型舱确保每个部件的性能、致密度和化学纯度。
一体化结构实现
空中客车防务及航天公司的射频滤波器项目充分展示了3D打印的能力,为数十年没有明显变化的航空业提供了新的创新设计。之前的射频滤波器是按照传统的标准化元素设计的,例如矩形腔和波导截面。部件的形状和连接由典型制造工艺决定,比如铣削和电火花腐蚀。然后,滤波器的腔体需要将两个部分通过加工固定在一起。显然这样做的话重量会比较重,需要装配的部分也会增加生产时间,还需要额外的质量评估。
图片:3D打印的射频滤波器内部结构,基于内凹的超椭圆设计,来源3D Systems