3D打印技術在喇叭天線中的應用

馮小明 張盛華 石俊峰

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

喇叭天線由于具有較大的增益、較好的方向性、較低的電壓駐波比、較好的頻率特性、較大的功率容量等優勢而得到了廣泛的應用，傳統的喇叭天線由波導壁張開延伸而得[1]。可采用機械加工法、拼焊法、整體線切割法、精密鑄造法和電鑄等方法制作而成。隨著雷達技術的發展，近年來設計的喇叭天線外形尺寸奇特，腔體形狀復雜怪異，壁厚不均且相差較大，傳統的加工方法和手段已無法制作這類新的喇叭天線。

20世紀80年代末出現的3D打印制造技術，作為信息化和制造技術的高度融合，能夠實現高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、全致密、近凈成形，成為了應對當前出現的復雜結構喇叭天線最佳最新的制造技術途徑[2]。雖有大量文獻報道3D打印技術在食品、服裝、家具、醫療、建筑、教育、航空航天等領域有廣泛應用，但鮮有文獻報道3D打印技術在喇叭天線制作中的應用[3]。本文詳細介紹了3D打印制造技術在某復雜喇叭天線制作中的應用，測試結果表明3D打印制造技術在復雜喇叭天線制作中方案可行，且周期短，單件加工成本低，其加工費是線切割的三分之一，機械加工的二分之一，為喇叭天線的制作開辟了新的工藝途徑，也為3D打印技術的應用擴寬了新的應用領域。

1 3D打印技術概述

3D打印制造技術是通過三維CAD 設計數據采用材料逐層累加的方法制造實體零件的技術，相對于傳統的材料去除( 切削加工) 技術，是一種“自下而上”材料累加的制造方法。又稱增材制造技術[4]。

3D打印制造技術不需要傳統的刀具、夾具及多道加工工序，利用三維設計數據在一臺設備上可快速而精確地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現“自由制造”，解決許多過去難以制造的復雜結構零件的成形，并大大減少了加工工序，縮短了加工周期。而且越是復雜結構的產品，其制造的優勢越顯著[5]。近年來，3D打印制造技術取得了快速的發展，在許多領域都得到了廣泛的應用，如在消費電子產品、汽車、航天航空、醫療、軍工、地理信息、藝術設計等。3D打印制造技術的特點是單件或小批量的快速制造，這一技術特點決定了3D打印制造技術在產品創新中具有顯著的作用[6]。

相對傳統制造技術，3D打印技術在制作復雜喇叭天線中具有以下潛在優勢[7]。

1)降低制造成本。對于傳統制造，產品形狀越復雜，加工工時越長，制造成本越高。3D打印不會因為產品形狀的復雜程度提高而消耗更多的時間或成本，對于多口復雜腔體喇叭天線的制造，3D打印具有明顯優勢。

2)適于產品多樣化。研制過程中，喇叭天線形狀多種多樣，有角錐喇叭、單脊喇叭、雙脊喇叭、波紋喇叭，還有單口、雙口、4口、8口、16口、32口喇叭等，傳統的加工方法對應每一種形式的喇叭天線都需要準備相應的工裝或模具，3D打印不需要針對喇叭天線形式的改變而修改工裝或模具。

3)及時交付。3D打印可以按需打印，從而大大壓縮復雜腔體喇叭天線的試制周期。

4)拓展設計空間。受傳統制造方式限制，產品只能根據工藝的可實現性來設計，如喇叭天線的內腔體形狀只能由小逐漸變大。3D打印可以使喇叭天線的腔體形狀由大變小或其他任意形狀。

5)降低技能要求。傳統上，喇叭天線制造對操作人員技能有很高要求，經常出現由于更換了操作人員而導致喇叭天線性能差別很大的情況。3D打印從設計文件中獲取各種指令，制造同樣復雜的產品，3D打印機所需的操作技能遠低于傳統制造。

6)降低浪費。與傳統加工減材制造相反，3D打印制造屬于增材制造，喇叭天線的大量傳統金屬加工，大量原材料都在加工過程中被廢棄，而3D打印的“凈成形”大幅減少金屬制造浪費量。

2 3D打印技術在天線應用中面臨的問題

1)批量產品價格昂貴。目前，由于 3D 打印技術還處于起步發展階段，技術還不算十分成熟，還不具備規模生產的經營發展要求，只適合單個小批量生產，價格優勢欠缺，可以說是十分昂貴. 根據實際調研，市面上 1 kg 的打印材料少則幾百元，多則達到幾十萬元，另外目前用于 3D 打印的設備價格較高，對其快速應用普及形成挑戰，由此可見，3D打印技術在一段時間內還不能完全代替傳統制造技術，尤其在大批量生產上，3D 打印不占優勢。

2)制造精度與效率方面。制造成品的精度不高、表面質量較差，加工效率低，在適應大規模生產需求方面問題比較突出。

3)材料選擇方面。就目前而言，3D 打印的材料仍局限在很少一部分，與傳統制造業上可用材料種類相比，3D 打印使用的材料品種仍有很大的局限性，用于制造喇叭天線的金屬材料目前只有鋁合金及鈦合金粉末。

4)打印尺寸受技術和打印機的限制，目前的打印設備更適合小尺寸的天線制作。

3 某喇叭天線的結構特點

某雷達天線為16口喇叭天線，如圖1所示，其結構特點為：

圖1 16口喇叭天線結構圖

1)外形尺寸小，喇叭口多。該喇叭天線外形尺寸為166mm×50mm×45mm，二排8列共16個喇叭口交錯分布，每相鄰兩喇叭口輸出端橫向中心間距為18.8mm，縱向中心間距為12.3mm，輸入端橫向中心間距為18.8mm，縱向中心間距為3.15mm(假定該天線為發射天線)。

2)相鄰兩喇叭口之間的隔板薄厚不一且相差很大。如圖2所示，兩相鄰喇叭口之間橫向及縱向的隔板厚度不一致。

3)每一個喇叭口內腔形狀復雜。如圖3所示，喇叭腔體由兩個不規則的角錐喇叭組成，在喇叭口向外的一側還有一根寬4mm，長50mm，高度不一致的脊。

圖2 相鄰喇叭口之間縱向及橫向隔板示意圖

圖3 喇叭口內腔體結構圖

4)外形奇特，結構復雜。為了減輕重量，將喇叭的外壁厚度設計成1mm，因此喇叭外部形狀與內腔形狀類似，而且16個喇叭口按2排8列交錯排列。所以該喇叭天線的外部形狀更顯復雜和奇特。

4 制作工藝分析與實現

針對該喇叭天線的結構特點，對喇叭天線的傳統制作工藝逐一進行分析比較如表1所示[8]。

根據對以上6種制作工藝進行比較，綜合考慮選擇采用3D打印制造技術來制作該復雜的喇叭天線，經過三維建模、分層切片、疊加打印等工藝流程最后制作出如圖4所示的喇叭天線。

表1 喇叭天線制作工藝分析

序號制作工藝工藝過程工程應用模具或工裝成本周期1機械加工下料-粗加工-熱處理-精加工-表面處理制作形狀簡單規則的零件需要夾具工裝一般長2拼焊下料-分體加工-拼焊制作相對簡單的批量零件需要焊接工裝一般長3整體線切割下料-打底孔-線切割制作內腔形狀簡單的零件不需要模具或工裝高特別長4精密鑄造制模-澆鑄-脫模制作形狀較復雜,精度要求較高的批量零件需要制作模具高特別長5電鑄制品圖樣—模型制作—表面處理—電鑄成形制作形狀復雜,精度要求高的單個空心零件需要制作模具高特別長63D打印三維建模-分層切片-疊加打印制作形狀特別復雜,精度要求高的單個空心零件不需要模具或工裝高短

圖5、圖6分別為該喇叭天線的駐波比及方向圖仿真和測試結果，從測試結果可知，3D打印出來的喇叭陣列天線在工作帶寬內，駐波比及方向圖特性較好，損耗較小，極化純度較高，能夠滿足實際工程需求。(注：由于該喇叭內腔結構復雜，無法采用機械加工的方式，因此沒有機械加工喇叭的測試結果)

圖4 3D打印制作的喇叭天線

圖5 仿真及實測駐波比隨頻率變化曲線

圖6 方位面中頻方向圖(法線方向)

5 結束語

本文介紹了3D打印制造技術在某復雜喇叭天線制作中的應用，測試結果表明利用3D打印制造技術制作的喇叭天線，駐波比小于2.1，天線方向圖特性良好，能夠滿足實際工程需要。3D打印制造技術可以作為天線制作的新方法和新工藝，隨著加工成本的降低、加工精度的提高、打印材料品種多樣化等技術的突破，3D打印技術在天線制作中將會更普及、更廣泛，這為3D打印技術的應用擴寬了新的領域。