3D-печать алюминиевым сплавом в радиоэлектронике: опыт оптимизации, перепроектирования и производства

Автор: Антон Нисан

Декларируемые преимущества аддитивных технологий, в частности селективного лазерного сплавления, хорошо известны и включают в себя возможность получения монолитного изделия сложной формы, в том числе с внутренними каналами; снижение массы; уменьшение сроков изготовления; объединение нескольких деталей в одну, сокращающее ручные операции сборки и пайки и повышающее повторяемость производства. Понимая актуальность этих преимуществ для радиоэлектронной промышленности, мы, дополнив в 2018 году лабораторию аддитивных технологий Остек-СМТ 3D-принтером Renishaw, наработали совместно с заказчиками достаточно интересный опыт перепроектирования, оптимизации и изготовления изделий радиоэлектроники методом селективного лазерного сплавления алюминиевого порошка. О нескольких проектах из этого опыта пойдёт речь в данной статье.

На примере волноводного разветвителя и кронштейна для его крепления, фильтра, рупорных антенн, корпусов с каналами охлаждения мы покажем, какие конкретно технические и экономические преимущества аддитивных технологий достижимы на практике, в особенности при проектировании и оптимизации конструкции изделия, учитывая возможности 3D-печати. Все изделия и опытные образцы, о которых пойдёт речь ниже, изготовлены в лаборатории аддитивных технологий Остек-СМТ на установке селективного лазерного сплавления Renishaw из сплава AlSi10Mg производства РУСАЛ.

(Cтатья была опубликована в журнале СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА 7/2021, электронная версия на сайте)

Кронштейн волноводного разветвителя

Оригинальный алюминиевый кронштейн волноводного разветвителя, разработанный АО «НИИ ТП» и показанный на рис. 1, изготавливался пайкой из 16 деталей, что весьма трудоёмко и требует специальной оснастки для обеспечения требуемых допусков.

Рис. 1. Кронштейн волноводного разветвителя: а) разнесённый вид, б) фотография напечатанного изделия, объём без поддержек 58,8 см3. Этот кронштейн и другие изделия, фотографии которых приведены ниже, напечатаны на системе селективного лазерного сплавления Renishaw в лаборатории Остек-СМТ

С помощью аддитивных технологий кронштейн изготавливается целиком, многократно снижая стоимость и сроки производства: за 49 часов на однолазерной системе печатаются два кронштейна.

Переход с классической на аддитивную технологию без изменения конструкции уже позволяет почувствовать преимущества 3D-печати, но наиболее полно её достоинства раскроются при перепроектировании кронштейна с учётом новых технологических возможностей. Для переработки конструкции кронштейна было решено использовать порождающее проектирование.

Порождающее проектирование (generative design) – автоматический поиск (создание) вариантов формы детали в САПР, исходя из заданных конструктором условий будущего функционирования детали. Конструктор задает объём, в котором системе разрешено производить поиск решения, указывает неприкосновенные для изменения зоны, препятствия, которые необходимо огибать, крепёжные и рабочие участки детали, а также условия функционирования детали: закрепления и нагрузки. Как только система закончит поиск решений, она предоставит пользователю для просмотра и оценки найденные варианты геометрии детали. Конструктору необходимо выбрать наиболее подходящий вариант (по массе, прочности, допустимым деформациям, технологичности и другим критериям) и доработать модель.

3D-модель кронштейна, полученная в результате порождающего проектирования в Autodesk Fusion 360, была доработана (добавлена перемычка, сглажены поверхности), и по ней был выполнен расчёт напряжённо-деформированного состояния, показавший, что деформации и коэффициент запаса прочности соответствуют требованиям (см. рис. 2).

Рис. 2. Результаты расчёта напряжённо-деформированного состояния кронштейна в Autodesk Fusion 360: а) деформации, б) коэффициент запаса прочности

Фотография напечатанного кронштейна представлена на рис. 3.

Рис. 3. Фотография напечатанного на Renishaw AM400 кронштейна, разработанного с применением порождающего проектирования во Fusion 360

Сравнение оригинала кронштейна и кронштейнов, полученных с помощью порождающего проектирования (см. табл. 1),

Таблица 1. Внешний вид, количество деталей и масса оригинального кронштейна и двух вариантов кронштейна, полученных порождающим проектированием

позволяет сделать вывод, что переработка конструкции во Fusion 360 обеспечила следующие результаты:
  • снижение массы кронштейна на 56%: с 214 до 94 г;
  • объединение 19 деталей в одну (кронштейн + держатели кабеля);
  • уменьшение объёма поддержек при печати в 1,5 раза;
  • сокращение времени печати на 28%;
  • снижение стоимости напечатанного изделия в 1,9 раза;
  • возможность печати кронштейна вместе с волноводом – объединение 32 деталей в одну;
  • расчётный коэффициент запаса прочности > 2 при заданных схемах нагружения.

Волноводный разветвитель

Технолог, работающий на аддитивном производстве, при подготовке 3D-модели изделия к печати решает две важные задачи, от которых зависит качество изготовления: ориентирование 3D-модели в камере построения и проектирование поддержек – опорных структур, фиксирующих деталь в процессе построения и обеспечивающих теплоотвод. Несмотря на то что в ПО для подготовки рабочих программ для 3D-принтеров реализован полезный функционал автоматического поиска оптимальной ориентации и автоматического создания поддержек, процесс подготовки 3D-модели к печати требует активного участия технолога и ручных или автоматизированных операций. Выбираемая ориентация и проектируемые поддержки субъективны и зависят не только от знаний и опыта специалиста, но и от характера. Так, осторожные люди могут перестраховаться и спроектировать поддержки с запасом, чтобы гарантированно напечатать изделие без дефектов с первого раза. При этом растёт расход материалов и увеличиваются сроки изготовления. С другой стороны, люди, склонные к риску, могут спроектировать минимум поддержек, чтобы сократить время печати изделия. Однако при этом будет выше вероятность образования дефектов, а в случае брака расход материалов и времени будет ещё выше, чем при осторожной тактике.

Минимизировать субъективность, зависимость от человеческого фактора помогает моделирование процесса печати и термообработки в ПО Autodesk Netfabb Local Simulation. В него импортируется 3D-модель сориентированной технологом детали на поддержках, выбираются материалы (порошка и платформы), задаются режимы печати деталей и поддержек, запускается моделирование процесса изготовления. В результате моделирования, в частности, рассчитываются напряжения и деформации, как в процессе построения и термообработки, так и после снятия с поддержек. Практическая ценность моделирования процесса изготовления изделий перед их производством заключается в следующем:
  • минимизация объёма поддержек, брака, времени и стоимости печати изделия: технолог видит, как спроектированные поддержки влияют на деформации детали, и может убрать практически не влияющие поддержки, оставив их только в тех местах, где они действительно необходимы;
  • минимизация деформаций: если расчётная деформация превышает максимально допустимую, то, изменяя ориентацию и/или усиливая поддержки, технолог стремится уменьшить отклонения размеров до приемлемого уровня;
  • компенсация деформаций: если изменением ориентации 3D-модели и/или усилением поддержек не получается добиться снижения деформаций до допустимых значений, то можно автоматически построить компенсированную 3D-модель, в которой учтены прогнозируемые деформации в процессе производства.

Рассмотрим возможности Netfabb Ultimate и Netfabb Local Simulation на примере подготовки к печати 3D-модели волноводного разветвителя, работающего на частоте 3,3 ГГц. Аналогично кронштейну волноводный разветвитель состоит из 13 деталей, изготавливаемых механообработкой и соединяемых пайкой, а напечатать разветвитель можно целиком (рис. 4).

Рис. 4. Волноводный разветвитель (разработан в АО «НИИ ТП»): а) разнесённый вид, б) фотография напечатанного изделия, объём без поддержек 127,1 см3

Изначально поддержки проектировались в ПО, не имеющем функции моделирования процесса печати. Учитывая это, а также понятное желание технолога изготовить разветвитель с первой попытки, поддержек было заложено «с запасом», 54,6 см3 (рис. 5а).

Рис. 5.  Спроектированные поддержки и их объём, а также прогнозируемые деформации волноводного разветвителя: а) в штатном ПО 3D-принтера – 54,6 см3, прогнозируемые деформации неизвестны, б) и в) в ПО Autodesk Netfabb Ultimate и Netfabb Local Simulation – 41,8 и 14,5 см3 при схожих прогнозируемых деформациях

Похожие поддержки были спроектированы и в Netfabb Ultimate, их объём составил 41,8 см3. Затем за несколько итераций объём поддержек был минимизирован до 14,5 см3: моделировался процесс печати в Netfabb Local Simulation, убирались поддержки, размещённые, с точки зрения технолога, в некритичных местах (тот самый «запас» для печати с первого раза), снова моделировался процесс печати, удалялись необязательные поддержки и т.д. Это позволило уменьшить объём поддержек с 41,8 см3 до 14,5 см3, т.е. в 2,9 раза, без заметного изменения расчётных деформаций (см. рис. 5б, 5в).
Для экспериментальной проверки крайне малой зависимости деформаций от объёма поддержек при его снижении, наблюдаемой при моделировании процесса, было напечатано два волноводных разветвителя с максимальным (54,6 см3) и минимальным (14,5 см3) объёмом поддержек. Исследование разветвителей, выполненное на рентгеновском компьютерном томографе Phoenix V|tome|x M300, показало, что фактические деформации наружных поверхностей и каналов различаются несущественно, тогда как объём поддержек различается в 3,8 раза (см. рис. 6).

Рис. 6. Карты отклонения наружных поверхностей и внутренних каналов, построенные по результатам томографии напечатанных волноводных разветвителей с 54,6 см3 (а) и 14,5 см3 (б) поддержек. 3D-модель оригинальная без компенсации деформаций

С целью повышения точности изготовления была сгенерирована 3D-модель, компенсирующая деформации, возникающие в процессе аддитивного производства. Напечатанная по скомпенсированной 3D-модели деталь тоже исследовалась на томографе Phoenix V|tome|x M300. Результаты исследования показывают, что деформации в каналах разветвителя были уменьшены на 30...40 мкм (см. рис. 7).

Рис. 7. Распределения отклонений поверхности внутренних каналов от номинальных, построенные по результатам томографии волноводных разветвителей, напечатанных по оригинальной 3D-модели с 54,6 см3 (а) и 14,5 см3 (б) поддержек и по скомпенсированной 3D-модели с 14,5 см3 поддержек (в)

Смещение распределения отклонений в сторону отрицательных значений (см. рис. 7в) свидетельствует об избыточной компенсации, поэтому, уменьшив коэффициент компенсации деформаций, можно добиться ещё большего повышения точности изготовления.

Подытожим достигнутые в данном примере преимущества, обеспечиваемые моделированием печати в Netfabb Local Simulation:
  • уменьшение объёма поддержек в 3,8 раза;
  • снижение стоимости печати на 22%;
  • сокращение времени печати на 20%;
  • уменьшение трудоёмкости постобработки и объёма отходов;
  • снижение отклонения напечатанной детали от CAD-модели на ~18% (также может быть улучшено подбором коэффициента деформации).

Отметим, что двадцатипроцентное снижение стоимости и времени печати может не играть важной роли при изготовлении одного изделия, но существенно скажется при серийном производстве.

СВЧ-фильтр

Коллеги из АО «РКС» обратились к нам с просьбой напечатать полосовой СВЧ-фильтр с центральной частотой 8,2 ГГц, чтобы измерить его электрические характеристики и определить возможность применения в ракетно-космическом приборостроении. Первым опытным образцом был выбран линейный фильтр (см. табл. 2), представляющий собой трубу прямоугольного сечения с диафрагмами.

Таблица 2. Сравнение стоимости, сроков изготовления линейного и лабиринтных фильтров


На следующей итерации специалистами АО «РКС», учитывая возможности аддитивных технологий, изменены расположения резонаторов фильтра для улучшения электрических параметров (подавления второй полосы пропускания), после чего в ООО «Остек-СМТ» спроектированы и оптимизированы решётчатые структуры и уменьшена толщина фланца по результатам прочностного расчёта в Netfabb (см. табл. 2). 

Электрические характеристики фильтров измерялись без обработки каналов и без нанесения покрытий. Потери линейного фильтра в полосе пропускания в сечении фланцев составили –0,3…–0,5 дБ, лабиринтного фильтра – минус –0,2…–0,25 дБ, КСВ обоих фильтров в полосе пропускания – не хуже 1,8 при калибровке в сечении SMA-разъёмов (см. рис. 8).

Рис. 8. Электрические характеристики лабиринтного фильтра: расчётные (сплошные линии) и измеренные (пунктирные линии) S-параметры (при калибровке в сечении SMA-разъёмов)

Результаты измерений электрических характеристик линейного и лабиринтного фильтров свидетельствуют о возможности их применения в приёмной и передающей аппаратуре малой мощности (10…20 Вт).

В результате перепроектирования обеспечены следующие преимущества применения аддитивных технологий:
  • снижение стоимости изготовления в ~10 раз (при переходе с классической технологии на аддитивную);
  • снижение количества деталей в 15 раз;
  • снижение массы в 2,5 раза;
  • электрические характеристики (даже без дополнительной пост-обработки каналов) приемлемы для применения в системах малой мощности;
  • испытание на сжатие: при нагрузке до 1,5 т – только упругие деформации.

Рупорные антенны

В 2019 году были напечатаны первые опытные образцы рупорных антенн для АО «НИИ «Вектор». Испытания антенн подтвердили, что они удовлетворяют требованиям по электрическим характеристикам и стойкости к внешним воздействующим факторам (ГОСТ РВ 20.39.304-98, группа 2.1.3) и пригодны для эксплуатации в составе комплексов радиотехнического мониторинга морского базирования. В 2020 г. и первой половине 2021 г. в нашей лаборатории было изготовлено более 100 шт. серийных рупорных антенн (см.  рис.  9).

Рис. 9. Один из заказов на рупорные антенны в 2020 г.

Половина антенн, изготовленных в 2021 г., работает в частотном диапазоне 8…12 ГГц, 20% – 12…18 ГГц, 18% – 4…8 ГГц, по 5 % – 18…26 и 26…40 ГГц и 2% – 2…4 ГГц (см. рис. 10).

Рис. 10. Распределение серийных рупорных антенн, напечатанных для АО «НИИ «Вектор» в первой половине 2021 г., по частотным диапазонам

Сравним расчётные и измеренные электрические характеристики на примере рупора сложной формы с гребнями (рис. 11, 12).

Рис. 11. Напечатанная рупорная антенна, электрические характеристики которой приведены на рис. 12


Рис. 12. Сравнение расчётных и экспериментальных параметров: а) КСВ в полосе частот, б) нормированные диаграммы направленности антенной системы на центральной частоте рабочего диапазона в азимутальной плоскости, в) ширина диаграммы направленности в полосе частот

Макет антенной системы представляет собой два излучателя, разнесённых на 40° относительно друг друга. Измерения излучения производятся для каждой антенны независимо в азимутальной плоскости. На рис. 12а приведены результаты измерения КСВ излучателя и КСВ модели излучателя в пакете моделирования, где проводящий материал представляет собой идеальный проводник. Диаграммы направленности макета и модели антенной системы на центральной частоте диапазона показаны на рис. 12б. А на рис. 12в представлены результаты измерения ширины диаграммы направленности (ШДН) в полосе частот. Результаты измерений показывают хорошую корреляцию с теоретическими расчётами и подтверждают соответствие требований к электрическим характеристикам.

Корпуса с каналами охлаждения

В условиях повышения плотности компоновки, уменьшения габаритов элементной базы и электронных модулей обостряется проблема отвода тепла. В таких случаях для обеспечения требуемых тепловых режимов могут применяться жидкостные системы охлаждения. А полноценно используя возможности 3D-печати, каналы для циркуляции охлаждающей жидкости можно выполнить непосредственно в корпусе модуля, оптимизируя их форму и размещение с учётом расположения теплонагруженных элементов и требуемого теплового режима.
Такая задача, в частности, актуальна для производства активных фазированных антенных решеток (АФАР) радаров. Повышение частотных диапазонов радиолокационных систем даёт более высокую разрешающую способность и точность обнаружения целей, но приводит к увеличению плотности тепловых потоков в приёмо-передающих модулях АФАР (из-за уменьшения размеров модулей при почти неизменном тепловыделении). В свою очередь, перегрев СВЧ-элементов приводит к сокращению их срока службы и ухудшению радиотехнических параметров АФАР. 

С целью экспериментальной проверки встраивания в корпуса системы жидкостного охлаждения в МАИ были спроектированы макеты корпусов приёмо-передающих модулей АФАР S- , X- и Ka-диапазона (2…4, 8…12 и 27…40 ГГц соответственно), см. рис. 13.

Рис. 13. Корпус модуля X-диапазона: а) фотография напечатанного макета, б) расположение каналов охлаждения

Два последних были изготовлены в нашей лаборатории. Результаты испытаний макетов корпусов (рис. 14) показывают приемлемые параметры охлаждения и подтверждают применимость 3D-печати корпусов со встроенными каналами жидкостного охлаждения для АФАР.

Рис. 14. Результаты испытаний макета корпуса для X-диапазона: зависимость средней температуры имитаторов (источников нагрева) от объёмного расхода охлаждающей жидкости (Источник: Ю.О. Соляев, МАИ)

Корпуса с тепловыми трубами

Логическим продолжением и дальнейшим развитием корпусов со встроенными каналами жидкостного охлаждения являются корпуса с тепловыми трубами. Эффективная теплопроводность тепловых труб может достигать 100 кВт/(м·К), что в сотни раз превышает теплопроводность меди.

Простейшая тепловая труба представляет собой герметичный корпус, внутренние стенки которого покрыты капиллярно-пористой структурой (фитилем) [1]. Трубы вакуумируются до остаточного давления 10–5… 10–4 мм рт. ст. и заполняются рабочей жидкостью (например, водой, аммиаком) так, чтобы фитиль был полностью насыщен ею, а в остальном внутреннем пространстве был её насыщенный пар. Принцип работы тепловой трубы состоит в следующем (рис. 15).

Рис. 15. Схема идеальной одномерной модели тепловой трубы [2]

При подводе тепла к испарителю жидкость испаряется из фитиля, поглощая тепло. Давление пара в трубе увеличивается, нарушается динамическое равновесие системы пар-жидкость в остальной части трубы, вызывая конденсацию пара на поверхности фитиля. При конденсации пара тепло отдается фитилю, отводится в конденсаторе, а жидкость возвращается по фитилю в испаритель за счет капиллярных сил.

Отработка режимов печати капиллярно-пористой структуры сделает возможным выращивание корпусов со встроенными тепловыми трубами в одном цикле построения. В результате выполненных в нашей лаборатории начальных экспериментов, направленных на оценку возможности печати капиллярно-пористой структуры, были получены такие структуры с проницаемостью 10–15…10–12 м2. Эксперимент подтвердил возможность построения капиллярно-пористых структур и требует дальнейшего продолжения для отработки технологии получения структуры с требуемыми свойствами. Мы открыты к сотрудничеству в данном направлении.

Заключение

За 3,5 года работы лаборатории аддитивных технологий мы хорошо заметили, как меняется отношение к 3D-печати металлом в радиоэлектронной промышленности. Изначальный скепсис и восприятие систем печати как «игрушки», годной в лучшем случае для изготовления макета, сменяются осторожной заинтересованностью сделать и испытать опытные образцы. Результаты испытаний опытных образцов положительно удивляют, стимулируют конструкторскую мысль перепроектировать и оптимизировать для ещё большего использования потенциала аддитивных технологий. А дальше наступает этап «легализации» применения 3D-печати для производства конечных изделий. У кого-то он проходит сравнительно быстро (например, у АО «НИИ «Вектор»), и мы переходим к серийному производству изделий; у кого-то он затягивается из-за административных сложностей (хотя техническая состоятельность решения уже доказана). Важно то, что интерес к технологии заметно вырос, восприятие её стало серьёзнее, опытные образцы удовлетворяют требованиям и подтверждают применимость 3D-печати, а примеры серийного производства множатся. Подтверждением этому служит статистика загрузки лаборатории аддитивных технологий Остек-СМТ: за 3,5 года выполнено свыше 200 циклов печати на системе Renishaw и изготовлено 2360 изделий и образцов для 60 заказчиков, причём 47% объёма производства лаборатории составляют элементы СВЧ-трактов, а ещё 12% – кронштейны и корпуса.

Автор выражает благодарность коллегам из АО «НИИ ТП», АО «РКС», АО «НИИ «Вектор», МАИ за совместную работу над проектами и предоставленные результаты измерений электрических характеристик.

Литература

  1. Алексеев В.А. Основы проектирования тепловых аккумуляторов космических аппаратов. Монография. – Курск: Науком, 2016. – 248 с., ил.
  2. Jafari D., Wits W.W. The utilization of selective laser melting technology on heat transfer devices for thermal energy conversion applications: A review.



Поделиться: