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基于选择性激光烧结技术的雷达样件快速制造

2017/11/15    来源:互联网    作者:李敏  陈奇海      
关键字:物理样件  增材制造  研制周期  
针对雷达新产品需快速加工出物理样件的研制需求,选择性激光烧结技术作为一种代表性的增材制造技术提供了一条新路径。文中首先结合雷达产品的几类典型需求,分析了选择性激光烧结技术的具体应用情况,包括样件工艺过程分析、直接制造非金属验证件和间接制造金属功能验证件,应用结果表明在缩短样件研制周期方面效果显著。最后,为进一步推动该技术在雷达产品中的应用,提出了当前制约其应用的主要问题及发展方向。

引言

    近年来,国际形势和市场发展对现代雷达装备的需求灵活多变,雷达新产品研发通常需要研制单位在短时间内拿出原型样机。而雷达产品是一种复杂的电子机械结构,包含大量高精度和具有明确电性能要求的结构功能件,若采用传统研制手段加工样件,则所依赖设备多,实施周期长,不能满足新形势的需求。因此,如何在较短的时间周期内研制出物理样件,用于辅助预测和快速评价产品的性能和可制造性等,对雷达产品研制意义重大。

    增材制造(Additive Manufacturing,AM)技术是一种直接数字化制造技术,其原理为基于三维模型数据逐层堆积材料制造零件。这一技术不需要传统的刀具、夹具及多道加工工序等,在一台设备上可快速而精密地制造出任意复杂形状的零件,从而实现自由制造,这为雷达产品中的物理样件的快速制造提供了一条新的路径。该技术发展近30年来,增材制造原理与不同的材料和工艺结合形成了许多种类的增材制造设备,已商品化设备大致可分为光固化成型、激光选区烧结(Selective laser sintering, SLS)、三维打印、熔丝堆积、薄材叠层和直接能量熔敷成型。其中,SLS技术适用粉末材料种类多,制造异型复杂结构无需支撑,成型精度可达±0.05~0.1mm,优势显著,应用广泛。

    本文拟结合雷达产品的研制需求,基于SLS技术快速研制实物样件,开展快速评价、功能试验等研究工作,同时指出目前应用存在的问题,为该技术在雷达产品领域的深层次推广提供借鉴。

1 在雷达产品中的应用分析

1.1 SLS制件工艺过程分析

    基于SLS技术研制雷达实物样件,其工艺过程包括模型准备、烧结制造及表面处理3个阶段。

    1)模型准备阶段。采用Pro/E构建三维实体模型,需考虑可加工最小尺寸为0.5mm。实体模型转换为STL模型后,采用Magics完成STL模型的修复和编辑工作。以图1(b)为例,其中的电源模块是一个实心结构,通过将其设计成表面蒙皮厚2mm、内部镂空的结构,可减轻重量和缩短加工周期。又以图1(d)为例,该天线阵子罩长约1m,受限于STL设备的成型空间,需拆分成3段加工,通过拼接接口装配成型。

    2)烧结制造阶段。需合理设置SLS工艺参数,生成激光扫描路径,完成SLS设备预热和零件烧结成型。主要工艺参数包括扫描方式和速度、扫描间距、切片层厚、预热温度等。

    3)表面处理阶段。先是制件表面清粉,后根据不同应用需求,对制件进行修整、打磨、胶结、螺装、表面金属化、油漆等后处理工序。以图1(b)为例,该一体化模块包括近50个零件,通过在安装孔位置装入钢丝螺套,满足装配验证需求,通过表面油漆,满足设计展示需求。又以图2(b)为例,通过表面金属化,满足电讯测试需求。

1.2 直接制造非金属验证件

    基于SLS技术的非金属验证件在其他领域的应用非常广泛 ,在制作具有创新性特征、高附加值雷达零件的应用中具体体现在以下几个方面:

    1)概念呈现件。在产品的竞标、课题阶段,利用SLS技术将产品的概念设计快速呈现,以直观的形式进行展示,特征最小尺寸可达0.5mm,模型的观感和触感都像真实对象。同时可采用不同颜色传达独立部件的外观信息,这些都有助于提高产品的说服力和竞争力。图1(a)给出了某雷达展示件,可以看到,整体效果和局部细节兼顾,整体成型周期约10天。

    2)设计、装配验证件。雷达产品结构复杂,集成度高。利用SLS技术可快速制造出和产品外形一致、具有一定强度的模拟件,进而在详细设计阶段有效评估复杂结构制造和装配的可行性,及时发现产品中的设计错误,规避装配差错,提高设计成功率,降低新产品研发周期。同时,可进一步辅助结构优化设计,提升产品性能。图1(b) 给出了某天馈一体化模块,包括近50 个零件,研制周期较传统方法缩短了50%以上。图1(c)给出了用于固定微带阵子的某支撑件,原始设计为实心结构,通过优化设计成传统方法难以加工的内部镂空结构,在保持强度不变的情况下,轻量化效果显著。

    3)功能测试件。雷达产品中存在一批非金属功能件,如图1(d)给出的某天线阵子罩,在产品的试制或小批量生产阶段,采用注塑模具成型的周期、成本及变更风险是困扰项目研制的一个普遍问题。又如图1(e)给出的某微小绝缘子(7mm×1.2mm×4mm),内部孔径Φ0.6mm,孔间薄壁0.2mm,采用机加工方法有一定难度。针对这一类非金属功能件的快速加工,正是SLS技术的优势。由于对材料本身的透波、导热等性能有要求,因此需对高分子粉末材料进行添加改性,制成适用的功能材料。加工出的天线阵子罩(周期约15天)和绝缘子已用于测试,性能良好。

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    图1 非金属验证件

1.3 间接制造金属功能验证件

    雷达产品与其他领域不一样的地方体现在以波导、阵子等为代表的大量微波零件具有导电导热要求。在设计定型前,为了得到金属功能验证件,若采用铝板整体加工方法,薄壁深腔的零件(图2(a)零件材料去除率达90%以上)存在工序多、效率低等问题,特别是对数控铣和电火花等关键设备依赖度高。图2(b)和(c)给出的异型或带有内部流道结构的零件还涉及到精密焊接设备。若采用精密铸造或精密塑性成形方法,需要制作模具,只有在设计定型、具有一定加工数量规模的条件下,才能体现其高效及降低成本的优势。若采用增材制造直接制造金属零件,目前的研究热点主要集中在航天航空等领域的钛合金材料等方面,而关于铝合金材料的研究较少,还不成熟。

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    图2 金属验证件

    基于SLS技术,有2条途径可快速得到有导电要求的电讯测试件:

    1)对SLS模型作表面金属化处理,实现零件表面导电,零件本质上还是非金属材料,只不过在表面多了一层金属导电层。目前对于内部含复杂异型结构的零件的表面金属化处理不太理想,还需要做进一步研究。

    2)直接成型出蜡模,与精密熔模铸造技术相结合,间接快速制造出铝合金件,只用对铸件局部进行少量机加工即可。与精密熔模铸造技术相比,省掉了制作精密化熔模的环节,周期和成本更有优势。图2(a)和(b) 给出的2个零件,加工周期经过测算至少缩短10%以上。针对图2(c)给出的带内部流道类零件,不适合采用精密熔模铸造技术加工环控测试件,下一步需开展铝合金件直接增材制造工艺的研究工作。

2 存在的问题及展望

    通过前期应用研究,基于SLS技术快速加工出雷达产品中的概念呈现件和设计、装配、功能测试件,在缩短研制周期、降低成本方面效果显著,显示出了巨大的潜力和应用前景。但要进一步推广该技术,提升该技术的应用成熟度,在工艺、设备、材料等方面还有许多工作需要开展。

    1)加工样件使用的粉末材料主要是熔点低于190 ℃的尼龙等材料,现有SLS设备对高熔点的复合材料支持匮乏。以聚醚醚酮(PEEK)材料为例,它具有优良的机械强度、耐高温、抗腐蚀、耐磨、阻燃等性能,在星载雷达上得到大量应用,但其熔点在340 ℃左右,现有主流SLS设备支持的熔点不到200 ℃,能力明显不够。近期德国EOS公司研制出了专门针对PEEK材料的P800型号设备,支持温度可达385℃,需要进一步开展应用研究工作。

    2)对于内部带有复杂流道的微波功能件,目前主要采用周期较长的“机加+焊接”方法得到环控测试件。为了缩短研制周期,需开展针对铝合金粉末材料的SLS工艺技术(又称为选择性激光熔融技术,Selective Laser Melting,SLM)研究。由于设备提供的环境温度远低于铝合金熔点温度,制件变形无法依靠环境温度的预热来解决,目前主要靠添加支撑来控制零件的变形,而流道内的支撑在加工完成后无法有效去掉,因此,后续关键点之一是无支撑工艺技术的研究。

    3)现有应用点主要集中在加工样件用于测试验证方面,离装机应用还有距离。一方面,SLS加工是一个加热、冷却的过程,在应用过程中发现薄壁深腔结构容易发生翘曲变形,需要研究工艺参数对加工精度的影响规律,得到合适的工艺参数组合,有效控制翘曲变形;另一方面,需要加强制件后续的工艺研究及性能测试,包括材料表面处理及防护、力学性能实验、环境实验等,完善工艺状态,保证质量可靠,提升技术成熟度。

3 结束语

    SLS技术是一种先进的直接数字化制造技术,本文利用该技术成功解决了雷达产品对物理样件的快速研制需求,加工得到的设计、装配、功能测试件等在预测和评价产品的性能和可制造性等过程中发挥了巨大作用。同时,应加强工艺研究和性能测试, 进一步提升该技术应用的成熟度;以及开展高熔点复合材料及铝合金等金属材料的成型工艺研究,进一步扩大该技术在雷达产品中的应用范围。

责任编辑:张纯子
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