過去3年可以被看作是直接金屬打印(DMP)在航空業(yè)的引爆點(diǎn)，因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)從原型制作轉(zhuǎn)變至至生產(chǎn)航天設(shè)備部件和裝配件。

在這段時(shí)間里，空中客車防務(wù)及航天公司同3D Systems合作，取得了重大突破：首個(gè)3D打印的射頻（RF）濾波器經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證，可以被用于商業(yè)通信衛(wèi)星。這個(gè)項(xiàng)目由歐洲航天局提供支持的，項(xiàng)目名稱為A0/1-6776/11/NL/GLC：利用3D增材制造技術(shù)為優(yōu)化的波導(dǎo)組件建模和設(shè)計(jì)。

在射頻/微波系統(tǒng)中通常需要把信號(hào)頻譜中有用的幾個(gè)頻率信號(hào)分離出來而濾除無用的其他頻率信號(hào)，完成這一功能的設(shè)備稱為濾波器。所以說，在無線通信系統(tǒng)中，濾波器是一種關(guān)鍵的射頻部件。

3D打印使空中客車防務(wù)及航天公司基于超橢圓形狀來設(shè)計(jì)新的射頻濾波器

行業(yè)的主要趨勢(shì)是增加單個(gè)衛(wèi)星內(nèi)多波束的容量。高容量衛(wèi)星，比如空中客車防務(wù)及航天公司制造的Eutelstat KA-SAT這樣的高通量衛(wèi)星可以攜帶近500個(gè)RF濾波器和超過600個(gè)的波導(dǎo)。由于是定制設(shè)計(jì)的，其中的大部分可以處理特定的頻率。它們?cè)试S所選頻道的頻率通過，同時(shí)拒絕來自所選頻道之外的信號(hào)。

通信衛(wèi)星是航空業(yè)需要減重的典型-將其送入靜止軌道，每公斤的重量就要耗費(fèi)2萬美元的成本。持續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和減少生產(chǎn)時(shí)間也是關(guān)鍵，大多數(shù)衛(wèi)星的壽命約在10-15年。

需要減重、創(chuàng)新和減少生產(chǎn)時(shí)間恰是直接金屬打印可以滿足的關(guān)鍵點(diǎn)。這個(gè)射頻濾波器項(xiàng)目使用3D Systems的ProX DMP 320，幫助制造商整合濾波器分體部件，通過改進(jìn)濾波器形狀和表面來提升其功能，而這是傳統(tǒng)制造方式無法提供的，定制型的設(shè)計(jì)也有效降低了濾波器的生產(chǎn)時(shí)間和成本。當(dāng)然在提升材料強(qiáng)度的同時(shí)還使濾波器更輕質(zhì)。

空中客車防務(wù)及航天公司的項(xiàng)目是3D Systems魯汶中心的首次進(jìn)行射頻濾波器制作的新挑戰(zhàn)。3D Systems比利時(shí)魯汶的生產(chǎn)中心在ProX DMP 320測(cè)試階段的時(shí)候就已經(jīng)驗(yàn)證打印機(jī)的應(yīng)用。成功的項(xiàng)目有航天驗(yàn)證部件的拓?fù)鋬?yōu)化、減重和一體化功能實(shí)現(xiàn)，比如通信衛(wèi)星的支架和支柱配件。ProX DMP 320用于制作高精度部件，可對(duì)LaserForm系列的合金（鈦，不銹鋼，鋁，鎳，鉻，鈷鉻）進(jìn)行打印。

由空中客車防務(wù)及航天公司設(shè)計(jì)的3D打印射頻濾波器集成至衛(wèi)星載荷，新濾波器比老款減重50%，來源3D Systems

ProX DMP 320在不同成型材料之間更換時(shí)，可替換制造模塊增加了應(yīng)用的多功能性和高效的設(shè)備利用率?？煽氐恼婵粘尚团摯_保每個(gè)部件的性能、致密度和化學(xué)純度。

一體化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)

空中客車防務(wù)及航天公司的射頻濾波器項(xiàng)目充分展示了3D打印的能力，為數(shù)十年沒有明顯變化的航空業(yè)提供了新的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

之前的射頻濾波器是按照傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化元素設(shè)計(jì)的，例如矩形腔和波導(dǎo)截面。部件的形狀和連接由典型制造工藝決定，比如銑削和電火花腐蝕。然后，濾波器的腔體需要將兩個(gè)部分通過加工固定在一起。顯然這樣做的話重量會(huì)比較重，需要裝配的部分也會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間，還需要額外的質(zhì)量評(píng)估。

3D打印的射頻濾波器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，基于內(nèi)凹的超橢圓設(shè)計(jì)

使用3D打印的方式制作部件使空中客車防務(wù)及航天公司可以在設(shè)計(jì)上不受局限，也沒有額外的生產(chǎn)成本。

CST MWS是是德國CST公司推出的高頻三維電磁場仿真軟件，用于設(shè)計(jì)3D打印的射頻濾波器，這樣僅需花費(fèi)少量時(shí)間就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化。3D打印帶來的制造上的靈活性造就了濾波器凹陷型超橢圓設(shè)計(jì)的腔體。獨(dú)特的形狀有助于RF電流的通過，且在Q因子之間進(jìn)行平衡傳遞-一種基于能量損耗的波導(dǎo)效率的測(cè)量方法-和外來信號(hào)的屏蔽。

由空中客車防務(wù)及航天公司設(shè)計(jì)的3D打印射頻濾波器將原來的分體設(shè)計(jì)結(jié)合為一個(gè)整體設(shè)計(jì)，降低了總體重量。3D打印助力生產(chǎn)時(shí)間縮短，成本降低。

位于英國斯蒂夫尼奇空中客車防務(wù)及航天公司的射頻濾波器工程師保羅·布斯說到：“3D打印帶來的整體式設(shè)計(jì)，其主要優(yōu)勢(shì)是數(shù)量、成本和時(shí)間。因?yàn)闉V波器不再需要緊固件來將部件結(jié)合在一起，所以部件數(shù)量其實(shí)減少了。使用直接金屬打印，還有一個(gè)額外的好處就是部件的外輪廓與內(nèi)輪廓更緊密。成本和生產(chǎn)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)來源于裝配和后處理時(shí)間的縮短?！?/p>

通過嚴(yán)苛測(cè)試

打印的三個(gè)鋁樣件使用不同處理路徑，空中客車防務(wù)及航天公司在斯蒂夫尼奇中心對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。模擬測(cè)試樣件在發(fā)射和軌道運(yùn)行時(shí)的條件，包括震動(dòng)、沖擊和受熱的情況，例如極限溫度和真空條件下。三個(gè)鋁樣件均滿足甚至超過了測(cè)試的要求。此外，通過電解過程鍍銀后的濾波器進(jìn)一步提升了性能。

除了3D打印，3D Systems為該項(xiàng)目提供了相關(guān)的服務(wù)，包括經(jīng)過驗(yàn)證的粉體處理、材料密度控制、經(jīng)過驗(yàn)證的后處理和可靠的質(zhì)量管控。

綜合效益獲得提升

現(xiàn)在打印部件的工藝過程已經(jīng)被驗(yàn)證，部件也滿足了空中客車防務(wù)及航天公司的最高航天標(biāo)準(zhǔn)，空客公司可以開始考慮金屬打印的投資回報(bào)率了。CFO對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的投資回報(bào)率感到滿意：周轉(zhuǎn)時(shí)間快、生產(chǎn)成本降低且部件減重了50%！

根據(jù)空客公司，“在不浪費(fèi)大量時(shí)間對(duì)部件進(jìn)行優(yōu)化的前提下減重一半，而且在進(jìn)一步的構(gòu)造設(shè)計(jì)下，重量還能下降。減重使火箭用到的推進(jìn)劑減少，幫助成本下降，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的要求也較低，這也無形中進(jìn)一步降低了重量。”

“這個(gè)項(xiàng)目的成功開啟了射頻濾波器的機(jī)械和熱組件更加集成化的大門，致力于減少零件數(shù)量和總體重量。我們還將考慮集成更多功能，比如測(cè)試耦合器作為濾波器的一部分或者直接集成至波導(dǎo)的運(yùn)行中。在對(duì)部件減重的同時(shí)縮短生產(chǎn)時(shí)間和成本上面還有更多的潛力等待發(fā)掘?！?/p>