3D打印天线可降低成本，重量和尺寸

发布日期：2021-02-18 浏览次数：37

　　轻巧的零件和快速的生产证明是传统制造的种有吸引力的选择。美国海军研究实验室的专创建并测试了3D打印天线和阵列，以提高雷达技术并为美国海军提供新的应用。

　　3D打印零件的轻量快速生产使其成为传统制造的有吸引力的替代方法，而传统制造通常需要昂贵的材料和专用设备。

　　NRL电气工程师Anna Stumme说：“ 3D打印是种快速生产原型并非常快速地以小的成本完成多次设计迭代的方法。” “印刷零件的轻质性也使我们能够将技术带到新的应用中，在这些应用中，固体金属零件的沉重重量限制了我们的应用。”

　　雷达系统对海军具有至关重要的作用，并且仍然是海上航行和国防的重要组成部分。天线和阵列的零件是连接在起的多个天线，可能会意外断裂或磨损，需要更换。传统上，零件是用金属订购或复杂加工的，有时需要数周才能生产。3D打印的雷达零件（例如圆柱阵列）可提供360度可视性，由于减少了加工和组装时间，因此可以使用传统方法在数小时之内（相对于几天）生产。

　　除了生产优势外，相对较低的3D打印材料成本使研究人员能够以小的开销测试零件的多个版本。然后可以使用传统方法加工出完善的原型。旦成功生产了原型，无论是3D打印还是传统制造的原型，都必须经过严格的测试，然后才能投入使用。这就是Stumme和她的同事们所说的“超力量”-他们可以使用3D打印的零件快速对新设计进行各种测试。

　　Stumme说：“我们并不是要说我们需要3D打印所有东西并将其放在船上，因为那是不现实的。” “我们不定知道它在那种环境中将如何保持。对于我们来说，这是种在短时间内测试更多设计迭代的方法。”

　　在2019年初，Stumme在天线应用研讨会上提交了篇论文，将3D打印零件与传统制造零件进行了比较。她的研究赢得了学生论文竞赛。

　　新的应用

　　Stumme和她的同事正在研究重量和尺寸受限制的应用（例如无人驾驶飞机或小型船）如何从3D打印零件中受益。NRL的自治系统研究实验室使用轻质尼龙印刷了许多3D原型。零件印刷后，将经历称为电镀的过程。

　　在电镀过程中，金属薄层被施加到印刷部件上。电镀为设备提供了个可以按预期辐射的导电表面。单靠塑料是不可行的。结果是个轻量的原型，然后可以评估其各种属性，例如表面粗糙度，这是天线元件功能的主要因素。

　　Stumme与来自整个NRL的NRL材料科学合作，他们执行了关键的表面粗糙度表征。表面粗糙度表征提供了对天线上涂层的评估，并且粗糙度影响了其性能。

　　“表面粗糙度对于波导和天线很重要，因为它会引起散射损耗并导致天线效率降低，”应用材料和系统部负责人Nick Charipar说。“天线辐射并接收波。因此，如果波沿着粗糙的表面传播，它就会扭曲，能量可能不会到达您想要的位置。”

　　Charipar和他的团队属于NRL的材料科学与技术部门，为NRL的雷达部门的3D打印零件制作原型。创建零件后，研究人员将研究材料特征如何影响雷达的功能。每台3D打印机都有独特的特性，可能会改变产品性能。如果研究人员能够找出特定3D打印零件的佳参数，Stumme和她的同事们同意，船只可以在上任何地方变得对那些关键零件变得自力更生。

　　尽管当前存在COVID-19限制，但NRL的研究仍在不断发展。今年晚些时候，Stumme和她的同事计划在实验室设置中演示用于X波段监视雷达演示的新原型圆柱阵列孔。X波段监视雷达旨在搜索特定平台（例如船舶）周围的区域。他们正在探索使用微波光子学和光纤将圆柱形阵列集成到较小容器的桅杆中。

　　雷达部门雷达分析处天线部门负责人，项目负责人马克·多尔西（Mark Dorsey）表示：“圆柱阵列具有优势，因为它们可以提供360度全方位的可视性。” “光纤之所以有价值，是因为它们可以使天线本身与进行处理的地方之间保持较长的间隔。”

　　使用光纤减少了海军舰船桅杆所需的组件数量，进步减少了热量和重量限制。该演示将包括测试阵列的传统制造版本和3D打印版本以比较性能。Stumme设计了两个版本。

　　该团队计划在2021年对原型进行现场测试。该演示将在他们四年努力的后年中进行，以使该阵列在更小的平台上更实用，并展示如何轻松地将阵列与光纤起使用。研究经费由NRL基础基金提供。