CN103395205B - 立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法，属于微细加工、微波技术领域，解决了现有技术中没有适用于制备不可展开外形曲面频率选择表面的技术问题。本发明的方法制作薄屏曲面频率选择表面，首先根据仿真设计结果建立曲面频率选择表面的承载基底及其金属化保护壳体的三维CAD模型，然后将CAD模型离散化，转换成STL文件输入到立体打印机，将CAD模型快速成型，得到曲面频率选择表面承载基底及其金属化保护壳体，再经表面金属化，得到薄屏曲面FSS。本发明的方法还能够制作厚屏曲面FSS。本发明的制备方法简单，既可制作可展开成平面的曲面FSS，也可制作不可展开成平面的曲面FSS。

Description

立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法

技术领域

本发明涉及一种立体打印技术制作曲面频率选择表面的方法，属于微细加工、微波技术领域。

背景技术

频率选择表面(Frequency Selective Surface,FSS)是一种微波周期性结构，任何周期性分布在平面或曲面上的导体贴片或孔径结构，都会对微波到光波波段的电磁波产生衍射现象。周期阵列单元的形状，彼此的间距，以及它们周围的介质状况都会对散射场产生影响。如果不考虑介质的影响，当单元尺寸为入射波半波长的整数倍时发生谐振。当FSS的阵单元对于某一频率的入射波发生谐振时，该入射波将被全反射(贴片型结构)或全透射(孔径型结构)，而偏离此谐振频率的入射波可以部分通过(贴片型结构)或被部分反射(孔径型结构)，因此，FSS可作为空间滤波器。

FSS与雷达罩相结合可制作成频率选择雷达罩，将工作波段设计为通带，敌方探测波段设计为阻带，从而能够透过己方电磁波的同时，屏蔽敌方探测雷达波，敌方探测雷达波被FSS雷达罩外形反射到广大空间，有效减小后向散射，降低雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)，实现雷达罩的隐身。

雷达罩为满足空气动力学性能，具有流线型外形，按照外形是否可以展开成平面可分为可展开外形和不可展开外形。现有技术中，可展开外形曲面FSS的制作方法主要有印刷电路工艺，电镀蚀刻法和数控加工方法；但印刷电路工艺，电镀蚀刻法和数控加工方法都无法直接用于制备不可展开外形曲面FSS：当使用印刷电路工艺制备不可展开外形曲面FSS时，需将不可展开曲面近似分片、展开成平面、制作平面FSS，再通过热成型或模压成型制作分片的曲面FSS，最后将分片平面FSS反贴回雷达罩，但这种方法将FSS分片破坏了FSS的导电连续性，会对FSS雷达罩的透波性能有不利的影响，且反贴中形成的褶皱、接缝也会造成带外RCS的增加，既不利于己方工作频段电磁波的通过，也不利于带外电磁波的隐身；电镀蚀刻法无法制作不可展开曲面FSS，若将平面FSS图形转移到曲面上时，须将底片分割成多个小单元粘贴在曲面上曝光，这样不仅直接影响底片的平整度，导致不同程度的虚曝，还会产生底片位置偏差，不能满足曲面FSS图形高精度和一致性要求；数控加工方法是利用精密三维设备，精确控制刀具直接在外表面金属化的天线罩上机械刻划FSS图形阵列，但FSS层在雷达罩壁中的分布是随设计结果而定的，FSS处于罩壁不同位置时，其曲面偏置发生变化，FSS单元排布也发生变化，所以数控接触式加工不适合制作罩壁结构中不可展开曲面FSS。

立体打印技术是将计算机上的三维零件模型进行网格化处理并存储，对其进行分层处理，得到各层截面的二维轮廓信息，按照这些轮廓信息生成加工路径，成型头在控制系统的控制下，按加工路径成形各个截面，并逐步顺序叠加成三维零件，其具有设计制造一体化、成型速度快、尺寸精度高、高度柔性、材料广泛的优势，而且这种成型方式不受模具的形状和结构的任何约束。但是，现有技术中，还没有立体打印技术制作曲面FSS的方法。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中没有适用于制备不可展开外形曲面FSS的技术问题，提供一种立体打印技术制作曲面FSS的方法。

本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法，若曲面FSS的金属层厚度小于等于工作波段波长的1‰，包括以下步骤：

(1)利用三维建模软件建立曲面FSS承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型；

(2)将上述曲面FSS承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；

(3)将曲面FSS承载基底和承载基底金属化保护壳体的STL文件输入到立体打印机，以非金属材料为打印材料，同时打印曲面FSS承载基底和承载基底金属化保护壳体；

(4)对曲面FSS承载基底金属化，除去承载基底金属化保护壳体，经后处理后，得到曲面FSS。

优选的，所述曲面FSS的阵子单元为Y形结构。

优选的，所述金属化的工艺为真空镀膜、电镀或者化学镀。

本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法，若曲面FSS的金属层厚度大于工作波段波长的1‰，包括以下步骤：

(1)利用三维建模软件建立曲面FSS的三维CAD模型；

(2)将上述曲面FSS的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；

(3)将曲面FSS的STL文件输入到立体打印机，以金属粉末为打印材料，采用立体打印技术打印曲面FSS，经后处理后，得到曲面FSS。

优选的，所述曲面FSS的阵子单元为Y形结构。

本发明的有益效果：

(1)本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法，充分利用立体打印技术的高精度与高度柔性，将数字化贯穿整个曲面FSS的成型过程，既可制作可展开成平面的曲面FSS，也可制作不可展开成平面的曲面FSS，既可制作薄屏曲面FSS(金属层厚度小于等于工作波长的1‰)，也可制作厚屏曲面FSS(金属层厚度大于工作波长1‰)，且制作的曲面FSS导电连续，避免了分片制作平面FSS反贴回曲面的电连接的截断，也就避免了电连接截断对曲面FSS的透波特性及RCS特性的负面影响；

(2)本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法在制作薄屏曲面FSS时，可以在打印制作曲面FSS承载基底的同时，打印制作金属化工艺所需的保护壳体，做到二者的精密配合，制作厚屏曲面FSS时，选用良导体金属粉末为打印材料，可以直接打印制作厚屏曲面FSS，制备工艺简单；

(3)本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法尺寸精度都可以达到±0.lmm/100mm，满足雷达波段FSS的制作精度要求，在制备雷达罩用曲面FSS时，可以根据罩壁结构的设计，打印制作任意偏置距离的曲面FSS，甚至双屏精确对准的曲面FSS，制作的曲面FSS层合于雷达罩壁结构，能在不改变现有型号雷达罩外形和天线工作方式的前提下，基本不增阻、不增重，不改变雷达罩原空气动力学性能，能够透过己方工作频段电磁波，屏蔽敌方探测雷达波，有效缩减后向雷达散射截面积，减小后向散射，降低RCS，实现雷达罩的隐身。

附图说明

图1为本发明的立体打印技术制作曲面FSS的方法的工艺流程；

图2为本发明具体实施方式的曲面FSS采用的Y形单元；

图3中，a为本发明具体实施方式的薄屏曲面FSS模拟曲线图，b为薄屏曲面FSS承载基底示意图，c为薄屏曲面FSS承载基底阵列单元排布局部放大图；

图4为本发明具体实施方式的薄屏曲面FSS金属化保护壳体的示意图；

图5为本发明具体实施方式的薄屏曲面FSS承载基底及其金属化保护壳体的装配关系图；

图6为本发明具体实施方式制作的薄屏曲面FSS的效果图；

图7为本发明的立体打印技术制作薄屏曲面FSS的原理图；

图8为本发明的立体打印技术制作厚屏曲面FSS的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施方式的立体打印技术制作曲面FSS的方法的步骤为：

(1)曲面FSS仿真设计：在专业电磁仿真软件内建立曲面FSS及其所复合的罩壁模型；

从FSS的谐振带宽、角度稳定性、抗交叉极化特性、曲面准周期特性等多种响应特性及加工难易程度综合考虑，Y形阵子是应用于雷达罩上较为理想的结构单元，所以本实施方式的FSS设计选用Y形单元，但是十字、方形、圆形和圆环等结构单元也能实施本发明；

在建立的模型中准确输入各层介质的电参数，如介质厚度、介电常数、损耗角正切值等，Y形单元参数取决于FSS工作的频段，设谐振波长为λ₀，Y形参数的初始值可满足周长平均值3L/2≈λ₀，再根据计算结果优化Y形结构参数，一般Y形结构参数及周期排布参数要经过多次优化调整，才能得到理想的通、阻带特性，本实施方式得到Y形单元的Y孔结构如图2所示，L为Y孔结构的臂长，W为Y孔结构的臂宽；本实施方式的曲面FSS的阵列如图3中a，b，c所示，FSS上Y形单元按照高度分层，不同高度上有N_i个Y形单元，以等间隔D_x排列成一圈，D_x为是环形排列相邻Y形单元中心弧长距离，作为曲面FSS圆周方向的排列周期，Y形单元数目为此高度截面圆周长除以D_x后取整，即N_i=[2πR_i/D_x]，[]为取整运算符，R_i为此高度层Y形单元中心所在平面与曲面FSS相交所的圆的半径，Y形单元环高度不同，N_i、R_i不同，高度相邻的两层A层和B层的Y形环弧长距离为D_y，D_y是曲面FSS母线方向的排布周期；

(2)CAD建模：FSS仿真设计完成后，得到欲制作的曲面FSS，若曲面FSS的金属层厚度小于等于工作波长的1‰，即为薄屏曲面FSS，需利用三维建模软件建立曲面FSS承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型；

为防止薄屏曲面FSS特别是不可展开薄屏曲面FSS的制作中金属化过程有金属从Y形孔径溅入曲面FSS承载基底内部，建立曲面FSS承载基底的三维CAD模型的同时建立保护壳体的三维CAD模型，保护壳体套在不可展开曲面FSS承载基底内部，并保持一定偏置距离，以确保金属化完毕后，能够顺利将保护壳体移除，图4为金属化保护壳体的示意图，曲面FSS承载基底与保护壳体的装配关系如图5所示；

若曲面FSS的金属层厚度大于工作波长的1‰，即为厚屏曲面FSS，直接利用三维建模软件建立曲面FSS的三维CAD模型即可；

(3)CAD模型数字化：将上述薄屏曲面FSS承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型离散化，或者将厚屏曲面FSS的三维CAD模型离散化，转换成STL文件，实现CAD模型的分层切片处理，获得模型的每个二维层片信息；

STL是为三维制造系统开发出的文件格式，它的描述方式就是将制件的三维模型的自由曲面用一系列的小三角形平面来逼近，根据曲面近似的程度不同，选择不同的三角形网格划分，每个三角形面片由四个数据项表示，即三角形三个顶点坐标(x，y，z)和一个三角形面片外法线矢量(n)，显然，精度要求越高，网格划分的三角形应该越多、越逼近实物，计算机处理的时间越长；

(4)立体打印快速成型：根据要制作的是薄屏曲面FSS还是厚屏曲面FSS，选择合适立体打印机及成型材料：若为薄屏曲面FSS，将STL文件输入立体打印机，以非金属材料为打印材料，如：液态光敏树脂、PP塑料等可用于立体打印的粉末、液体材料，利用立体打印技术，同时打印曲面FSS承载基底和承载基底金属化保护壳体，再经金属化前处理，金属化处理，和金属化后处理后，去掉金属化保护壳体，根据光滑度要求抛光，得到薄屏曲面FSS，如图6所示；

金属化工艺可采用真空镀膜、电镀、化学镀等方法，具体选择哪种金属化方法，与曲面的大小、曲率、材料性质有关；

若为厚屏曲面FSS，无需打印金属化保护壳体，将厚屏曲面FSS的STL文件输入立体打印机，以金属粉末为打印材料，如铜合金、钢、镍、钛合金等，利用立体打印技术直接打印FSS，根据光滑度要求抛光，得到厚屏曲面FSS；

立体打印基于分层制造原理，根据切片处理得到的二维层片信息，控制成型机逐层加工并叠加这些层片，最后获得三维实体原型，图7为立体打印技术制作薄屏曲面FSS的成型原理，若制备薄屏曲面FSS，以液态光敏树脂材料为例，树脂槽中盛满液态光敏树脂，工作台初始位置在顶部，基板上均匀涂覆一层液态光敏树脂，在计算机控制下的特定波长的激光束或紫外光束沿分层截面逐点扫描，聚焦光斑扫描处的液态树脂吸收能量，发生光聚合反应而固化，从而形成制件的一个曲面FSS截面，一层固化完毕后，工作台下降一层高度，以使先固化好的树脂表面覆盖一新的树脂薄层，然后刮板将粘度较大的树脂液面刮平，进行下一层的扫描固化，新固化的一层牢固的粘结在前一层上，如此依次逐层堆积，最后形成曲面FSS承载基底；图8为立体打印技术制作厚屏曲面FSS的成型原理，若制备厚屏曲面FSS，则成型材料为金属粉料，工作台初始位置在顶部，专门的铺粉机构控制铺粉辊在工作台上均匀铺覆一层金属粉料，然后，激光束在计算机的控制下，根据厚屏曲面FSS截面轮廓的信息，对实体部分的粉末进行扫描，使粉末的温度升至熔点以上，被扫描到的粉末熔化后又降到熔点以下，相互粘结得到一个烧结面，非扫描区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑，一层厚屏曲面FSS截面成形完成后，工作台下降一层的高度，再进行下一层的铺料和成形，如此循环，最终形成了金属材质厚屏曲面FSS。

Claims (5)

1.立体打印技术制作不可展开外形曲面频率选择表面的方法，其特征在于，若曲面频率选择表面的金属层厚度小于等于工作波段波长的1‰，包括以下步骤：

(1)利用三维建模软件建立曲面频率选择表面承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型；

(2)将上述曲面频率选择表面承载基底的三维CAD模型和承载基底金属化保护壳体的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；

(3)将曲面频率选择表面承载基底和承载基底金属化保护壳体的STL格式文件输入到立体打印机，以非金属材料为打印材料，同时打印曲面频率选择表面承载基底和承载基底金属化保护壳体；

(4)对曲面频率选择表面承载基底金属化，除去承载基底金属化保护壳体，经后处理后，得到曲面频率选择表面。

2.根据权利要求1所述的立体打印技术制作不可展开外形曲面频率选择表面的方法，其特征在于，所述曲面频率选择表面的阵子单元为Y形结构。

3.根据权利要求1所述的立体打印技术制作不可展开外形曲面频率选择表面的方法，其特征在于，所述金属化的工艺为真空镀膜、电镀或者化学镀。

4.立体打印技术制作不可展开外形曲面频率选择表面的方法，其特征在于，若曲面频率选择表面的金属层厚度大于工作波段波长的1‰，包括以下步骤：

(1)利用三维建模软件建立曲面频率选择表面的三维CAD模型；

(2)将上述曲面频率选择表面的三维CAD模型离散化，即转换成STL格式文件；

(3)将曲面频率选择表面的STL格式文件输入到立体打印机，以金属粉末为打印材料，采用立体打印技术打印曲面频率选择表面，经后处理后，得到曲面频率选择表面。

5.根据权利要求4所述的立体打印技术制作不可展开外形曲面频率选择表面的方法，其特征在于，所述曲面频率选择表面的阵子单元为Y形结构。