過去兩年(2015年和2016年)可以被看作是直接金屬打印(DMP)在航空業的引爆點,因為這項技術已經從原型制作轉變至至生產航天設備部件和裝配件。在這段時間里,空中客車防務及航天公司同3D Systems合作,取得了重大突破:首個3D打印的射頻(RF)濾波器經過測試和驗證,可以被用于商業通信衛星。這個項目由歐洲航天局提供支持的,項目名稱為A0/1-6776/11/NL/GLC:利用3D增材制造技術為優化的波導組件建模和設計。
在射頻/微波系統中通常需要把信號頻譜中有用的幾個頻率信號分離出來而濾除無用的其他頻率信號,完成這一功能的設備稱為濾波器。所以說,在無線通信系統中,濾波器是一種關鍵的射頻部件。
圖片:3D打印使空中客車防務及航天公司基于超橢圓形狀來設計新的射頻濾波器,來源3D Systems
行業的主要趨勢是增加單個衛星內多波束的容量。高容量衛星,比如空中客車防務及航天公司制造的Eutelstat KA-SAT這樣的高通量衛星可以攜帶近500個RF濾波器和超過600個的波導。由于是定制設計的,其中的大部分可以處理特定的頻率。它們允許所選頻道的頻率通過,同時拒絕來自所選頻道之外的信號。
通信衛星是航空業需要減重的典型-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。持續的創新設計和減少生產時間也是關鍵,大多數衛星的壽命約在10-15年。
需要減重、創新和減少生產時間恰是直接金屬打印可以滿足的關鍵點。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,通過改進濾波器形狀和表面來提升其功能,而這是傳統制造方式無法提供的,定制型的設計也有效降低了濾波器的生產時間和成本。當然在提升材料強度的同時還使濾波器更輕質。
空中客車防務及航天公司的項目是3D Systems魯汶中心的首次進行射頻濾波器制作的新挑戰。3D Systems比利時魯汶的生產中心在ProX DMP 320測試階段的時候就已經驗證打印機的應用。成功的項目有航天驗證部件的拓撲優化、減重和一體化功能實現,比如通信衛星的支架和支柱配件。ProX DMP 320用于制作高精度部件,可對LaserForm系列的合金(鈦,不銹鋼,鋁,鎳,鉻,鈷鉻)進行打印。
圖片:由空中客車防務及航天公司設計的3D打印射頻濾波器集成至衛星載荷,新濾波器比老款減重50%,來源3D Systems
ProX DMP 320在不同成型材料之間更換時,可替換制造模塊增加了應用的多功能性和高效的設備利用率。可控的真空成型艙確保每個部件的性能、致密度和化學純度。
一體化結構實現
空中客車防務及航天公司的射頻濾波器項目充分展示了3D打印的能力,為數十年沒有明顯變化的航空業提供了新的創新設計。之前的射頻濾波器是按照傳統的標準化元素設計的,例如矩形腔和波導截面。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時間,還需要額外的質量評估。
圖片:3D打印的射頻濾波器內部結構,基于內凹的超橢圓設計,來源3D Systems