CN106159453B - 一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面向低轨定位载荷的天线制造方法，尤其是一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，包括天线脊和底部的网格化设计，天线谐振腔底部的开口设计，内脊底部的支柱设计，天线外脊的设计，以及激光成型与重熔工艺流程参数的设计。网格化设计可以减轻天线的质量，使天线更轻巧，谐振腔底部的开口设计便于谐振腔内壁的打磨，内脊底部的支柱可以保证内脊底部和谐振腔侧壁90°的几何关系，从而提高天线性能，天线外脊是再天线外面薄壁位置增加两个与内部脊同样大小和厚度的支撑，保证在打印的时候能拉住薄壁，防止应力变形，天线成型后切除并打磨。最后通过一种定制的3D打印流程克服铝合金难以打印的问题。根据本方法设计的天线重量降低2/3，对于星载应用具有重要意义。

Description

一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种天线制造方法，尤其是一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，属于增材制造领域。

背景技术

低轨定位载荷包括低轨导航增强和低轨频谱扫描功能，一般要求天线具有较宽的频率范围，且质量轻小。为满足较宽频率范围的要求，一般采用喇叭天线。传统制造方法制造的天线质量大、部件多、周期长，采用创新的制造方法降低质量、减少部件数量和制作周期就成为低轨定位载荷天线技术的一个方向。

近年来，3D打印技术即增材制造加工技术快速发展。不同于传统的“去除型”制造，它不需要原胚和模具，直接根据零件的计算机三维模型数据，通过逐层增加材料的方法形成任何复杂形状的物体。对于钛合金、不锈钢、镍基合金等材料的增材制造研究，国内外开展较多，目前也较为成熟。但是对于以铝合金为代表的难熔合金，受到其熔点、密度、热导、熔体张力和粘度等固有物理性能影响，在激光成型过程中存在反射率高(吸收率低)、易形成氧化层、Al元素易沸腾蒸发、较低的熔体粘度、高热导、高的热膨胀系数、高的凝固收缩率、以及相对较宽的液-固相线间隔等问题，因而易出现熔池球化、残余孔隙率较大、变形弯曲、裂纹、尺寸精度较低和表面粗糙度较大等现象，影响铝合金喇叭天线的使用性能，不满足增益、结构致密度等最终天线使用需求。另外，现有的喇叭天线还存在重量较重的缺点，需要进一步的轻量化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种面向低轨定位载荷的天线制造方法，尤其是一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造(3D打印)方法。

一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1)，根据增材制造加工工艺要求设计喇叭天线，该喇叭天线的两个天线脊为网格化设计，天线底部为开口设计，所述天线谐振腔与所述天线脊的底部具有支撑柱设计，以及天线外脊的设计；

步骤2)，进行天线增材制造加工；

步骤3)，对加工出来的天线进行后处理获得最终可用的天线，后处理中去除所述支柱以及天线外脊。

步骤1)中，所述网格化设计中网格的直径不低于0.6mm。

步骤1)中，一固定板设置于喇叭天线的底部，在喇叭的侧面具有两个出粉孔，分别通入所述两个天线脊，以方便在3D打印后将金属粉末倒出。

步骤1)中所述固定板中央设置一底部通孔，用于露出所述谐振腔体与所述两个天线脊的底部。

步骤1)中，所述天线外脊的设计为两个外辅助脊设置于所述喇叭天线的与所述天线脊平行的两个侧面的外部，用于够保证在打印的时候能拉住喇叭侧壁。

步骤1)，所述支撑柱设计中，多个支撑柱设置于所述谐振腔体的顶部。

步骤1)中所述喇叭天线的还包括一个底盖，用于在打印完成后将底盖盖住所述底部通孔。

所述步骤2)包括：

步骤21)，采用棋盘(chessboard)激光扫描模式，场(Field)大小为5*5mm，预热150℃；

步骤22)，在工作平台上安装多层复合铁-隔热材料-钨基板，预热至300℃并在激光成型与重熔过程中保持此温度,铺粉刮刀与金属基板的间隙为30μm，在氩气保护的手套箱中，将铝合金粉体填装到粉体料仓中；

步骤23)，密封成形设备腔体，抽真空至相对真空度为-90KPa，向所述成形设备腔体内输入保护性气体氩气，反复抽真空与输入保护性气体氩气，使成形设备腔体内氧含量降至300ppm以下；

步骤24)，用激光对所述金属基板“牺牲区域”进行扫描，消耗所述成型的所述谐振腔体内残留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

步骤25)铺粉机构将粉体料仓中的混合粉体送到所述金属基板上,并由铺粉刮刀铺平，得厚度30μm的混合粉体薄层；

步骤26)开始成型，通过高能激光束熔化成型切片区域的混合粉体，在30min内，所述成形设备腔体内氧含量降至＜1ppm，并在激光成型与重熔过程中所述成形设备腔体内氧含量始终＜1ppm；

步骤27)不铺混合粉体，激光重新扫描重熔，激光重熔的扫描方向与成型的扫描方向夹角为90°，参数与步骤26)相同；

步骤28)重熔完成后，工作平台下降一个切片厚度30μm；以及

步骤29)重复步骤26-28，直至整个零件成形完毕；

步骤26)中，激光功率在300～1000W，甚至更高，点距在50～100μm，曝光时间在200～250μs，根据粉末状态综合平衡，调整速度范围在250～350mm/s。

所述步骤3)进一步包括以下步骤：

步骤31)用线切割切掉天线喇叭两个外辅助脊；

步骤32)除去所述谐振腔体的顶部的支撑柱并打磨该谐振腔体使其光滑。

步骤33)对加工获得天线进行打磨，使其内外表面光滑；

步骤34)依赖所述出粉孔将两个天线脊内的金属粉倒出；

步骤35)加工所述底盖，并将所述底盖与所述底座用沉头螺丝锁紧；

步骤33)又包括如下步骤：在打磨后，对天线喇叭内壁和谐振腔体电镀，以提高光滑度和导电性能。

一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线，其包括底座、喇叭、两个天线脊，所述喇叭的底部设置于所述底座，所述底座中央具有底座通孔用于露出所述两个天线脊的底部，所述天线脊为网格化设计。

本发明提供一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，通过改进结构设计、优化成型工艺流程，解决了铝合金增材制造中存在的熔池球化、残余孔隙率较大、变形弯曲、裂纹、尺寸精度较低和表面粗糙度较大等现象，提高成型致密度和天线性能，减轻天线质量。本发明以铝合金为材料，综合考虑减重效果、成型可行性和天线性能等指标要求，平衡取舍，优化网格设计，采用3D打印技术制造轻量化天线，提出了一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，经实践确认良好效果，在天线增益基本不变的情况下，天线重量降低2/3，天线加工周期和成本大幅度减少。

附图说明

图1是根据本发明的喇叭天线的整体轮廓图；

图2是根据本发明的对喇叭天线双脊进行网格化减重设计后的示意图；

图3为本发明添加外辅助脊之后的天线模型；

图4是根据本发明的喇叭天线底部谐振腔体开孔示意图；

图5是根据本发明的喇叭天线底部谐振腔体开孔局部放大图；

主要元件符号说明

喇叭天线 100

喇叭 10

出粉孔 11

安装孔 12

射频连接头收纳孔 13

天线脊 20

网格 22

固定板 30

固定孔 32

底座通孔 34

谐振腔体 40

底盖 60

外辅助脊 80

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

请参见图1至图3，本发明实施例提供一种面向低轨定位载荷的喇叭天线100的增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1)，根据增材制造加工工艺要求设计喇叭天线100，该喇叭天线100的天线脊20为网格化设计，天线谐振腔体40底部为开口设计，天线脊20的底部具有支柱设计，以及天线外脊40的设计；

步骤2)，进行天线增材制造加工；

步骤3)，对加工出来的天线进行后处理获得最终可用的天线，后处理中去除所述支柱以及天线外脊40。

具体地，步骤1)又包括如下分步骤：

步骤11)，按照一般喇叭天线原理设计一个整体喇叭天线100，将固定板30设置于天线底部，并对该喇叭天线100的两个天线脊20内部进行网格化设计；

步骤12)，所述固定板30的中央设置一个底座通孔34，该底座通孔34的大小和位置以解决谐振腔体40成型，并且该谐振腔体40从所述底座通孔34中露出；

步骤13)，在露出的谐振腔体40的顶部添加多个支撑柱；以及

步骤14)，在喇叭10与所述两个天线脊20平行的两个面的外侧增加两个外辅助脊80。

步骤11)中，所述固定板30设置在喇叭天线100的底部，并且具有多个固定孔32。所述两个天线脊20内部设置有多个网格22，从而可以实现该天线脊20的轻量化。为了防止网格在成型过程中断裂，网格直径设置不低于0.6mm。在3D打印时会造成金属粉末在网格22中残留，因此在所述喇叭10的侧面具有两个出粉孔11，分别通入所述两个天线脊20，以方便在3D打印后将金属粉末倒出。另外，用于安装射频连接头的天线脊20与所述喇叭10侧面接触的地方还设置两个安装孔12和一个射频连接头收纳孔13。使用时射频连接头设置于所述射频连接头收纳孔13中，并通过所述两个安装孔12固定。

请参见图4及图5，步骤12)中，所述固定板30的中央设计一个底部通孔34，所述谐振腔体40，以及所述两个天线脊20的底部从所述底部设置在固定板30的中央露出，从而方便3D打印成型。

步骤13)中，所述多个支撑柱以能够保证打印出来的谐振腔体40的顶部水平为目标，在3D打印完成以后可以将所述多个支撑柱去除。

步骤14)中，所述两个外辅助脊80的设计要能够保证在3D打印的时候能拉住喇叭10的侧壁，防止应力变形，在打印完成后可以用线切割切掉所述两个外辅助脊80。

可以理解，步骤1)还可以进一步包括设计一个底盖60，该底盖60可以将所述固定板30的底部通孔34盖住。该底盖60的大小于所述底部通孔34相匹配。该底盖60上还包括沉头螺丝孔，用于固定该底盖60。

所述步骤2)包括如下步骤：

步骤21)，采用棋盘(chessboard)激光扫描模式，场(Field)大小为5*5mm，预热150℃；

步骤22)，在工作平台上安装多层复合铁-隔热材料-钨基板，预热至300℃并在激光成型与重熔过程中保持此温度,铺粉刮刀与金属基板的间隙为30μm，在氩气保护的手套箱中，将铝合金粉体填装到粉体料仓中；

步骤23)，密封成形设备腔体，抽真空至相对真空度为-90KPa，向所述成形设备腔体内输入保护性气体氩气，反复抽真空与输入保护性气体氩气，使成形设备腔体内氧含量降至300ppm以下；

步骤24)，用激光对所述金属基板“牺牲区域”进行扫描，消耗所述成型的所述谐振腔体内残留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

步骤25)铺粉机构将粉体料仓中的混合粉体送到所述金属基板上,并由铺粉刮刀铺平，得厚度30μm的混合粉体薄层；

步骤26)开始成型，通过高能激光束熔化成型切片区域的混合粉体，在30min内，所述成形设备腔体内氧含量降至＜1ppm，并在激光成型与重熔过程中所述成形设备腔体内氧含量始终＜1ppm；

步骤27)不铺混合粉体，激光重新扫描重熔，激光重熔的扫描方向与成型的扫描方向夹角为90°；参数与步骤26)相同；

步骤28)重熔完成后，工作平台下降一个切片厚度30μm；以及

步骤29)重复步骤26-28，直至整个零件成形完毕。

步骤21)中，该措施是为了解决天线喇叭口和底板变形问题。

步骤26)中，激光功率在300～1000W，甚至更高，点距在50～100μm，曝光时间在200～250μs，根据粉末状态综合平衡，调整速度范围在250～350mm/s。

所述步骤3)进一步包括以下步骤：

步骤31)用线切割切掉天线喇叭两个外辅助脊80；

步骤32)除去所述谐振腔体40的顶部的支撑柱并打磨该谐振腔体40使其光滑；

步骤33)对加工获得天线进行打磨，使其内外表面光滑；

步骤34)依赖所述出粉孔11将两个天线脊20内的金属粉倒出；

步骤35)加工所述底盖60，并将所述底盖60与所述固定板30用沉头螺丝锁紧。

所述步骤S33)中，还可以对天线喇叭内壁和谐振腔体电镀，可以镀金或者镀银以进一步提高光滑度和导电性能，这些是本领域常规技术人员都能够完成的步骤。

本发明的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，网格化设计可以减轻天线的质量，使天线更轻巧。谐振腔底部的开口设计便于谐振腔内壁的打磨，天线脊底部的支柱可以保证内脊底部和谐振腔侧壁90°的几何关系，从而提高天线性能。天线外脊是天线外面薄壁位置增加两个与所述天线脊同样大小和厚度的支撑，保证在打印的时候能拉住喇叭薄壁，防止应力变形，天线成型后切除并打磨，整个激光成型和重熔过程需要严格控制成型腔内的氧气含量，成型前先对谐振腔体进行发福抽泣和高纯氩气回冲，并用激光对金属基板的“牺牲区域”扫描，腔内氧气含量要降低至50ppm，填装粉料要在手套箱中进行。成型结束后切割谐振腔内的支柱和天线外脊，并对天线进行打磨。经测量，根据本发明的方法获得喇叭天线增益、方向图等天线技术指标与传统工艺得到的天线几乎相同，但天线重量只有不到1/3，实际部件数大大减少，加工周期也大大缩短。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (11)

1.一种面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其包括以下步骤：

步骤1)，根据增材制造加工工艺要求设计喇叭天线，该喇叭天线的两个天线脊为网格化设计，天线底部为开口设计，天线谐振腔体与所述天线脊的底部具有支撑柱设计，并进行天线外脊的设计；

步骤2)，进行天线增材制造加工；

步骤3)，对加工出来的天线进行后处理获得最终可用的天线，后处理中去除所述支撑柱以及天线外脊。

2.如权利要求1所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)中，所述网格化设计中网格的直径大于0.6mm。

3.根据权利要求2所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)中，一固定板设置于喇叭天线的底部，在喇叭的侧面具有两个出粉孔，分别通入所述两个天线脊，以方便在3D打印后将金属粉末倒出。

4.根据权利要求3所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)中所述固定板中央设置一底部通孔，用于露出所述谐振腔体与所述两个天线脊的底部。

5.根据权利要求4所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)中，所述天线外脊的设计为两个外辅助脊设置于所述喇叭天线的与所述天线脊平行的两个侧面的外部，用于保证在3D打印的时候能拉住喇叭侧壁。

6.根据权利要求5所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)，所述支撑柱设计中，多个支撑柱设置于所述谐振腔体的顶部。

7.根据权利要求6所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤1)中所述喇叭天线还包括一个底盖，用于在3D打印完成后将底盖盖住所述底部通孔。

8.根据权利要求1-7中任意一项权利要求所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，所述步骤2)包括：

步骤21)，采用棋盘(chessboard)激光扫描模式，场(Field)大小为5*5mm，预热150℃；

步骤22)，在工作平台上安装多层复合铁-隔热材料-钨基板，预热至300℃并在激光成型与重熔过程中保持此温度,铺粉刮刀与金属基板的间隙为30μm，在氩气保护的手套箱中，将铝合金粉体填装到粉体料仓中；

步骤23)，密封成形设备腔体，抽真空至相对真空度为-90KPa，向所述成形设备腔体内输入保护性气体氩气，反复抽真空与输入保护性气体氩气，使成形设备腔体内氧含量降至300ppm以下；

步骤24)，用激光对所述金属基板“牺牲区域”进行扫描，消耗所述成形设备腔体内残留氧，直至氧含量降至50ppm以下；

步骤25)铺粉机构将粉体料仓中的混合粉体送到所述金属基板上,并由铺粉刮刀铺平，得厚度30μm的混合粉体薄层；

步骤26)开始成型，通过高能激光束熔化成型切片区域的混合粉体，在30min内，所述成形设备腔体内氧含量降至＜1ppm，并在激光成型与重熔过程中成型谐振腔体内氧含量始终＜1ppm；

步骤27)不铺混合粉体，激光重新扫描重熔，激光重熔的扫描方向与成型的扫描方向夹角为90°，参数与步骤26)相同；

步骤28)重熔完成后，工作平台下降一个切片厚度30μm；以及

步骤29)重复步骤26-28，直至整个零件成形完毕。

9.如权利要求8所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤26)中，激光功率在300～1000W，点距在50～100μm，曝光时间在200～250μs，根据粉末状态综合平衡，调整速度范围在250～350mm/s。

10.如权利要求7所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，所述步骤3)进一步包括以下步骤：

步骤31)用线切割切掉天线喇叭两个外脊；

步骤32)除去所述谐振腔体的顶部的支撑柱并打磨该谐振腔体使其光滑；

步骤33)对加工获得天线进行打磨，使其内外表面光滑；

步骤34)依赖所述出粉孔将两个天线脊内的金属粉倒出；以及

步骤35)加工所述底盖，并将所述底盖与底座用沉头螺丝锁紧。

11.根据权利要求10所述的面向低轨定位载荷的铝合金喇叭天线的增材制造方法，其特征在于，步骤33)又包括如下步骤：在打磨后，对天线喇叭内壁和谐振腔体电镀，以提高光滑度和导电性能。