基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的雷達(dá)樣件快速制造*

李 敏，陳奇海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

基于選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的雷達(dá)樣件快速制造*

李 敏，陳奇海

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

針對雷達(dá)新產(chǎn)品需快速加工出物理樣件的研制需求，選擇性激光燒結(jié)技術(shù)作為一種代表性的增材制造技術(shù)提供了一條新路徑。文中首先結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品的幾類典型需求，分析了選擇性激光燒結(jié)技術(shù)的具體應(yīng)用情況，包括樣件工藝過程分析、直接制造非金屬驗(yàn)證件和間接制造金屬功能驗(yàn)證件，應(yīng)用結(jié)果表明在縮短樣件研制周期方面效果顯著。最后，為進(jìn)一步推動該技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用，提出了當(dāng)前制約其應(yīng)用的主要問題及發(fā)展方向。

物理樣件；增材制造；研制周期

引 言

近年來，國際形勢和市場發(fā)展對現(xiàn)代雷達(dá)裝備的需求靈活多變，雷達(dá)新產(chǎn)品研發(fā)通常需要研制單位在短時(shí)間內(nèi)拿出原型樣機(jī)。而雷達(dá)產(chǎn)品是一種復(fù)雜的電子機(jī)械結(jié)構(gòu)，包含大量高精度和具有明確電性能要求的結(jié)構(gòu)功能件，若采用傳統(tǒng)研制手段加工樣件，則所依賴設(shè)備多，實(shí)施周期長，不能滿足新形勢的需求。因此，如何在較短的時(shí)間周期內(nèi)研制出物理樣件，用于輔助預(yù)測和快速評價(jià)產(chǎn)品的性能和可制造性等，對雷達(dá)產(chǎn)品研制意義重大。

增材制造(Additive Manufacturing，AM)技術(shù)是一種直接數(shù)字化制造技術(shù)，其原理為基于三維模型數(shù)據(jù)逐層堆積材料制造零件。這一技術(shù)不需要傳統(tǒng)的刀具、夾具及多道加工工序等，在一臺設(shè)備上可快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)自由制造[1]，這為雷達(dá)產(chǎn)品中的物理樣件的快速制造提供了一條新的路徑。該技術(shù)發(fā)展近30年來，增材制造原理與不同的材料和工藝結(jié)合形成了許多種類的增材制造設(shè)備，已商品化設(shè)備大致可分為光固化成型、激光選區(qū)燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS)、三維打印、熔絲堆積、薄材疊層和直接能量熔敷成型。其中，SLS技術(shù)適用粉末材料種類多，制造異型復(fù)雜結(jié)構(gòu)無需支撐，成型精度可達(dá)±0.05～0.1 mm，優(yōu)勢顯著，應(yīng)用廣泛。

本文擬結(jié)合雷達(dá)產(chǎn)品的研制需求，基于SLS技術(shù)快速研制實(shí)物樣件，開展快速評價(jià)、功能試驗(yàn)等研究工作，同時(shí)指出目前應(yīng)用存在的問題，為該技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品領(lǐng)域的深層次推廣提供借鑒。

1 在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用分析

1.1 SLS制件工藝過程分析

基于SLS技術(shù)研制雷達(dá)實(shí)物樣件，其工藝過程包括模型準(zhǔn)備、燒結(jié)制造及表面處理3個(gè)階段。

1)模型準(zhǔn)備階段。采用Pro/E構(gòu)建三維實(shí)體模型，需考慮可加工最小尺寸為0.5 mm。實(shí)體模型轉(zhuǎn)換為STL模型后，采用Magics完成STL模型的修復(fù)和編輯工作。以圖1(b)為例，其中的電源模塊是一個(gè)實(shí)心結(jié)構(gòu)，通過將其設(shè)計(jì)成表面蒙皮厚2 mm、內(nèi)部鏤空的結(jié)構(gòu)，可減輕重量和縮短加工周期。又以圖1(d)為例，該天線陣子罩長約1 m，受限于SLS設(shè)備的成型空間，需拆分成3段加工，通過拼接接口裝配成型。

2)燒結(jié)制造階段。需合理設(shè)置SLS工藝參數(shù)，生成激光掃描路徑，完成SLS設(shè)備預(yù)熱和零件燒結(jié)成型。主要工藝參數(shù)包括掃描方式和速度、掃描間距、切片層厚、預(yù)熱溫度等。

3)表面處理階段。先是制件表面清粉，后根據(jù)不同應(yīng)用需求，對制件進(jìn)行修整、打磨、膠結(jié)、螺裝、表面金屬化、油漆等后處理工序。以圖1(b)為例，該一體化模塊包括近50個(gè)零件，通過在安裝孔位置裝入鋼絲螺套，滿足裝配驗(yàn)證需求，通過表面油漆，滿足設(shè)計(jì)展示需求。又以圖2(b)為例，通過表面金屬化，滿足電訊測試需求。

1.2 直接制造非金屬驗(yàn)證件

基于SLS技術(shù)的非金屬驗(yàn)證件在其他領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[2]，在制作具有創(chuàng)新性特征、高附加值雷達(dá)零件的應(yīng)用中具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)概念呈現(xiàn)件。在產(chǎn)品的競標(biāo)、課題階段，利用SLS技術(shù)將產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)快速呈現(xiàn)，以直觀的形式進(jìn)行展示，特征最小尺寸可達(dá)0.5 mm，模型的觀感和觸感都像真實(shí)對象。同時(shí)可采用不同顏色傳達(dá)獨(dú)立部件的外觀信息，這些都有助于提高產(chǎn)品的說服力和競爭力。圖1(a)給出了某雷達(dá)展示件，可以看到，整體效果和局部細(xì)節(jié)兼顧，整體成型周期約10天。

強(qiáng)化小型農(nóng)田水利建設(shè)新機(jī)制的監(jiān)督管理力度，有利于促進(jìn)水利工程的建設(shè)效率。因此，應(yīng)對水利建設(shè)工程進(jìn)行仔細(xì)而謹(jǐn)慎的規(guī)劃，由此而使得水利工程項(xiàng)目的建設(shè)達(dá)到施工有質(zhì)、管理有度的效果，同時(shí)，不斷改進(jìn)完善監(jiān)管制度，用制度來管理。相關(guān)監(jiān)督部門以及工作人員應(yīng)充分發(fā)揮自己的監(jiān)督作用，由此保障水利工程的建設(shè)效率以及工程質(zhì)量。

2)設(shè)計(jì)、裝配驗(yàn)證件。雷達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，集成度高。利用SLS技術(shù)可快速制造出和產(chǎn)品外形一致、具有一定強(qiáng)度的模擬件，進(jìn)而在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段有效評估復(fù)雜結(jié)構(gòu)制造和裝配的可行性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，規(guī)避裝配差錯(cuò)，提高設(shè)計(jì)成功率，降低新產(chǎn)品研發(fā)周期。同時(shí)，可進(jìn)一步輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提升產(chǎn)品性能。圖1(b)給出了某天饋一體化模塊，包括近50個(gè)零件，研制周期較傳統(tǒng)方法縮短了50%以上。圖1(c)給出了用于固定微帶陣子的某支撐件，原始設(shè)計(jì)為實(shí)心結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)成傳統(tǒng)方法難以加工的內(nèi)部鏤空結(jié)構(gòu)，在保持強(qiáng)度不變的情況下，輕量化效果顯著。

3)功能測試件。雷達(dá)產(chǎn)品中存在一批非金屬功能件，如圖1(d)給出的某天線陣子罩，在產(chǎn)品的試制或小批量生產(chǎn)階段，采用注塑模具成型的周期、成本及變更風(fēng)險(xiǎn)是困擾項(xiàng)目研制的一個(gè)普遍問題。又如圖1(e)給出的某微小絕緣子(7 mm × 1.2 mm × 4 mm)，內(nèi)部孔徑Φ0.6 mm，孔間薄壁0.2 mm，采用機(jī)加工方法有一定難度。針對這一類非金屬功能件的快速加工，正是SLS技術(shù)的優(yōu)勢。由于對材料本身的透波、導(dǎo)熱等性能有要求，因此需對高分子粉末材料進(jìn)行添加改性，制成適用的功能材料。加工出的天線陣子罩(周期約15天)和絕緣子已用于測試，性能良好。

圖1 非金屬驗(yàn)證件

1.3 間接制造金屬功能驗(yàn)證件

雷達(dá)產(chǎn)品與其他領(lǐng)域不一樣的地方體現(xiàn)在以波導(dǎo)、陣子等為代表的大量微波零件具有導(dǎo)電導(dǎo)熱要求。在設(shè)計(jì)定型前，為了得到金屬功能驗(yàn)證件，若采用鋁板整體加工方法，薄壁深腔的零件(圖2(a)零件材料去除率達(dá)90%以上)存在工序多、效率低等問題，特別是對數(shù)控銑和電火花等關(guān)鍵設(shè)備依賴度高。圖2(b)和(c)給出的異型或帶有內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)的零件還涉及到精密焊接設(shè)備。若采用精密鑄造或精密塑性成形方法，需要制作模具，只有在設(shè)計(jì)定型、具有一定加工數(shù)量規(guī)模的條件下，才能體現(xiàn)其高效及降低成本的優(yōu)勢。若采用增材制造直接制造金屬零件，目前的研究熱點(diǎn)主要集中在航天航空等領(lǐng)域的鈦合金材料等方面[3]，而關(guān)于鋁合金材料的研究較少，還不成熟。

圖2 金屬驗(yàn)證件

基于SLS技術(shù)，有2條途徑可快速得到有導(dǎo)電要求的電訊測試件：

1)對SLS模型作表面金屬化處理[4]，實(shí)現(xiàn)零件表面導(dǎo)電，零件本質(zhì)上還是非金屬材料，只不過在表面多了一層金屬導(dǎo)電層。目前對于內(nèi)部含復(fù)雜異型結(jié)構(gòu)的零件的表面金屬化處理不太理想，還需要做進(jìn)一步研究。

2)直接成型出蠟?zāi)＃c精密熔模鑄造技術(shù)相結(jié)合，間接快速制造出鋁合金件，只用對鑄件局部進(jìn)行少量機(jī)加工即可。與精密熔模鑄造技術(shù)[5]相比，省掉了制作精密化熔模的環(huán)節(jié)，周期和成本更有優(yōu)勢。圖2(a)和(b)給出的2個(gè)零件，加工周期經(jīng)過測算至少縮短40%以上。針對圖2(c)給出的帶內(nèi)部流道類零件，不適合采用精密熔模鑄造技術(shù)加工環(huán)控測試件，下一步需開展鋁合金件直接增材制造工藝的研究工作。

2 存在的問題及展望

通過前期應(yīng)用研究，基于SLS技術(shù)快速加工出雷達(dá)產(chǎn)品中的概念呈現(xiàn)件和設(shè)計(jì)、裝配、功能測試件，在縮短研制周期、降低成本方面效果顯著，顯示出了巨大的潛力和應(yīng)用前景。但要進(jìn)一步推廣該技術(shù)，提升該技術(shù)的應(yīng)用成熟度，在工藝、設(shè)備、材料等方面還有許多工作需要開展。

1)加工樣件使用的粉末材料主要是熔點(diǎn)低于190 ℃的尼龍等材料，現(xiàn)有SLS設(shè)備對高熔點(diǎn)的復(fù)合材料支持匱乏。以聚醚醚酮(PEEK)材料為例，它具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度、耐高溫、抗腐蝕、耐磨、阻燃等性能，在星載雷達(dá)上得到大量應(yīng)用，但其熔點(diǎn)在340 ℃左右，現(xiàn)有主流SLS設(shè)備支持的熔點(diǎn)不到200 ℃，能力明顯不夠。近期德國EOS公司研制出了專門針對PEEK材料的P800型號設(shè)備，支持溫度可達(dá)385 ℃，需要進(jìn)一步開展應(yīng)用研究工作。

2)對于內(nèi)部帶有復(fù)雜流道的微波功能件，目前主要采用周期較長的“機(jī)加+焊接”方法得到環(huán)控測試件。為了縮短研制周期，需開展針對鋁合金粉末材料的SLS工藝技術(shù)(又稱為選擇性激光熔融技術(shù)，Selective Laser Melting，SLM)研究。由于設(shè)備提供的環(huán)境溫度遠(yuǎn)低于鋁合金熔點(diǎn)溫度，制件變形無法依靠環(huán)境溫度的預(yù)熱來解決，目前主要靠添加支撐來控制零件的變形，而流道內(nèi)的支撐在加工完成后無法有效去掉，因此，后續(xù)關(guān)鍵點(diǎn)之一是無支撐工藝技術(shù)的研究。

3)現(xiàn)有應(yīng)用點(diǎn)主要集中在加工樣件用于測試驗(yàn)證方面，離裝機(jī)應(yīng)用還有距離。一方面，SLS加工是一個(gè)加熱、冷卻的過程，在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)薄壁深腔結(jié)構(gòu)容易發(fā)生翹曲變形，需要研究工藝參數(shù)對加工精度的影響規(guī)律，得到合適的工藝參數(shù)組合，有效控制翹曲變形；另一方面，需要加強(qiáng)制件后續(xù)的工藝研究及性能測試，包括材料表面處理及防護(hù)、力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)、環(huán)境實(shí)驗(yàn)等，完善工藝狀態(tài)，保證質(zhì)量可靠，提升技術(shù)成熟度。

3 結(jié)束語

SLS技術(shù)是一種先進(jìn)的直接數(shù)字化制造技術(shù)，本文利用該技術(shù)成功解決了雷達(dá)產(chǎn)品對物理樣件的快速研制需求，加工得到的設(shè)計(jì)、裝配、功能測試件等在預(yù)測和評價(jià)產(chǎn)品的性能和可制造性等過程中發(fā)揮了巨大作用。同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)工藝研究和性能測試，進(jìn)一步提升該技術(shù)應(yīng)用的成熟度；以及開展高熔點(diǎn)復(fù)合材料及鋁合金等金屬材料的成型工藝研究，進(jìn)一步擴(kuò)大該技術(shù)在雷達(dá)產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍。

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李 敏(1985-)，男，博士，工程師，主要從事雷達(dá)總體工藝設(shè)計(jì)工作。

陳奇海(1968-)，男，高級工程師，主要從事雷達(dá)總體工藝設(shè)計(jì)工作。

Rapid Manufacturing of Radar Prototype Based on Selective Laser Sintering Technology

LI Min，CHEN Qi-hai

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

In order to manufacture physical prototype rapidly for new radar products, the selective laser sintering (SLS), as a representative additive manufacturing technology, provides a new route. Combining with several typical radar product requirements, this paper analyses the actual applications of SLS technology, including SLS process analysis, direct manufacturing nonmetal verification parts and indirect manufacturing metal functional verification parts. Application results show that SLS technology can shorten the prototype development cycle effectively. Finally, the development trend and the main problems which restrict the application of SLS technology are pointed out to promote further application of SLS in radar products manufacturing.

physical prototype; additive manufacturing; development cycle

2014-12-24

TN249；TQ320.66

A

1008-5300(2015)03-0042-03