国防

美国海军研究实验室工程师3D打印功能轻便的圆柱形天线阵列

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。

与使用传统的专用设备相比,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之前的迭代要轻得多,有可能为它们提供新的最终用途导航或国防应用。

“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Anna Stumme和她的NRL同事已经3D打印出优化的圆柱形阵列(如图)。照片由美国海军研究实验室提供。

船用天线阵

在海上作业时,海军舰艇严重依赖雷达,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。这些关键系统由相互连接的天线阵列提供动力,但它们经常受到破坏,需要迅速更换。

目前,这些临时零件要么是订购的,要么是复杂的金属加工,这一过程可能需要数周时间才能完成。另一方面,通过使用3D打印机,Stumme和她的NRL同事发现,由于所需的加工和装配时间减少,柱状阵列这样的组件现在可以在数小时内制造出来。

但是,虽然外国国防部队如荷兰海军采用了INTAMSYS 3D打印技术按需制造备件,NRL认为这是不现实的。事实上,工程师们认为,这项技术在快速迭代新设计方面具有更大的潜力,他们已经将这一点用在了他们的新型天线阵列上。

“我们并不是说我们需要3D打印所有东西,然后放到船上,因为那是不现实的,”Stumme解释说。“我们不一定知道它在那种环境下会如何维持。对我们来说,这是一种在短时间内测试更多设计迭代的方法。”

3D打印的圆柱形阵列(上图)被证明比原始阵列(上图)更紧凑。照片由美国海军研究实验室提供。

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,然后在实验室的自主系统研究中心对它们进行电镀。

在此过程中,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。一旦准备好,原型进行表面粗糙度测试,这有效地让团队评估外部装饰对其性能的影响。

“表面粗糙度对波导和天线很重要,因为它会造成散射损耗,导致天线效率降低,”应用材料和系统部门负责人Nick Charipar解释说。“天线辐射并接收电波。所以,如果波沿着粗糙的表面运动,它就会发生扭曲,能量可能不会到达你想要的地方。”

在最初的测试之后,NRL的雷达部门安装了这些组件,看看它们如何影响雷达功能,发现每个3D打印机的特性都会影响设备的性能。因此,研究小组得出结论,如果能够识别出优化的参数集,那么备用阵列就可以在世界任何地方迅速生产出来。

今年晚些时候,Stumme和NRL的工作人员打算结束他们的研究,对圆柱形阵列孔径原型进行实地测试,并将其集成到x波段监视雷达中。数组,用来提供360o在小型船舶上的可见性,将使用轻型光纤3D打印,可能会提高它们的热性能。

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,并在它们的研究和最终应用方面投入了大量资金。

最近,该乐团美国海军研究生院(NPS)成为第一个安装Xerox的新款ELEMX液态金属3D打印机.NPS实际上已经与施乐(Xerox)进行了合作,该公司将尝试开发新的按需制造部件的方法,以便在美国武装部队中部署。

美国海军海军海系统命令海军陆战队(NAVSEA)分部也授予了7个基金研发计划,可以节省2.5亿美元的成本.在最初的820万美元的支出,部分优化计划可能代表了一种高效的方式,减少对海军舰艇的维护需要。

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,他们的新型聚合物未来可以用于制造水下设备,如无人或自动水下车辆(uuv)。

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特色图片显示Anna Stumme正在调整海军研究实验室的消声室中的天线阵列。照片由美国海军研究实验室提供。