国防

美国海军研究实验室工程师3D打印功能轻量化圆柱形天线阵列

工程师在美国海军研究实验室(NRL)部署了3D打印机以制造优化的天线组件,可以是推进的关键美国海军雷达监控能力。

与使用传统专业设备相比,利用3D打印技术,工程师能够以更低的成本和更短的交付时间创建圆柱形阵列。由此产生的部件也被证明比以前的迭代要轻得多,有可能为它们提供新的最终用途导航或国防应用程序。

“3D打印是一种生产快速原型的方法,并以极快的成本非常快速地通过多种设计迭代,”NRL电气工程师Anna Stumme表示。“印刷部件的重量轻,我们还允许我们将技术用于新应用,其中固体金属部件的重量重量用于限制我们。”

工程师安娜·斯图姆和她的研究实验室的同事们用3D打印技术优化了圆柱形阵列(如图)。照片通过NRL拍摄。

维修海军天线阵列

在海上作业时,海军舰艇严重依赖其雷达,不仅作为海上导航的手段,而且从远处监视潜在侵略者的行动。这些关键系统是由相互连接的天线组成的阵列提供电力的,但它们往往会遭到破坏,需要迅速更换。

目前,这类临时配件要么是订购的,要么是用复杂的金属加工而成,这一过程可能需要数周时间才能完成。另一方面,利用3D打印机,斯图姆和她的研究实验室的同事们发现,由于减少了加工和装配所需的时间,像圆柱形阵列这样的组件现在可以在几小时内制造出来。

但是,虽然外国国防部队如荷兰海军已经采用INTAMSYS 3D打印技术为了按需制造备件,NRL认为这还不现实。事实上,工程师们认为这种技术在快速迭代新设计方面有更大的潜力,他们已经很好地利用了他们的新型天线阵列。

“我们并不是说我们需要3D打印所有东西,然后把它们放到船上,因为这是不现实的,”Stumme解释道。“我们不一定知道它在那种环境下会如何维持下去。对我们来说,这是在短时间内测试更多设计迭代的一种方式。”

3D打印的圆柱形阵列(如图顶部)被证明比原来的(如图中间)更紧凑。照片通过NRL拍摄。

3D打印NRL天线

在2019年天线应用研讨会上,NRL团队的初步研究获得了奖项,他们选择研究如何使用3D打印来优化相关部件的重量。首先,工程师们制作了一套尼龙原型,然后在实验室的自动系统研究设施进行电镀。

在这个过程中,研究人员能够在每个部件上添加一层薄金属层,为继电器应用提供必要的导电表面。一旦准备就绪,原型进行了表面粗糙度表征测试,这有效地允许团队评估外部抛光对其性能的影响。

“表面粗糙度对于波导和天线很重要,因为它会导致散射损耗,导致天线效率降低,”应用材料和系统部门负责人Nick Charipar解释道。“天线辐射并接收电波。因此,如果波沿着粗糙的表面运行,它会被扭曲,能量可能不会去你希望它去的地方。”

在初步测试后,NRL的雷达部门安装了这些组件,看看它们是如何影响雷达功能的,发现每个3D打印机的特性都会影响设备的性能。因此,该团队得出结论,如果能确定一个优化的参数集,那么备用阵列就能在世界任何地方迅速生产出来。

今年晚些时候,Stumme和NRL的工作人员打算通过对圆柱形阵列孔径原型的实地测试来结束他们的研究,并将其集成到x波段监视雷达中。阵列,用来提供360o小型船舶的可见性,将使用轻质光纤3D打印,有可能提高它们的热性能。

美国海军和海上印刷

美国海军早就认识到3D打印部件的潜力,并投入巨资研究它们及其最终用途应用。

最近,该乐团美国海军研究生学校(NPS)成为第一个安装Xerox的新款ELEMX液态金属3D打印机。NPS已经与施乐公司进行了有效的合作,将会看到施乐公司尝试开发新的方法来制造需要部署在美国军队中的部件。

美国海军海军海系统命令(NAVSEA)分部也为seven公司提供了资金研发计划,可以节省2.5亿美元的成本。初始费用仅为820万美元,该部件优化计划可能代表了一种减少海军舰艇所需维护的高效方式。

在其他地方,科学家们在此海军水面作战中心已经开发和专利了新型可生物降解的3D印刷材料。该团队认为,他们的新聚合物未来可以用于制造无人或自动水下航行器(uuv)等水下设备。

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特色图片显示Anna Stumme正在调整NRL暗室里的天线阵列。照片通过NRL拍摄。