面临的挑战

但是,仅优化重量还远远不够。在火箭发射过程中,有效载荷确确实实会受到振动,而且振动幅度相当剧烈。此外,且不论巨大的重力,单单每小时数千千米的超高速度也意味着飞行器不会像客机那样平稳。稳定性和刚度构成了产品设计的第二大关键因素。遗憾的是,此类要求往往与轻量化设计的需求完全相悖。工程师采用复杂的结构实现外形和重量之间的完美平衡。RUAG 团队试图设计出兼顾强度与重量要求的最优天线支架结构,并用尽了所有传统制造方法。幸好,增材制造提供了完美方案,可达到所需的设计自由度。零部件测试也极具挑战,不仅仅是因为前文所述的振动。在外太空,由于通常无法进行维修,可靠性显得尤为重要。这也解释了获得此类零部件的授权如此复杂且历时较长的原因。每一个认证都代表了获取该认证的工程师的无限光荣。

解决方案
在这种情况下，完整的生产链发挥着重要作用，尤其是在航空航天领域。显然,使用增材制造生产零部件可带来巨大优势,因此引起了我们极大的兴趣,”RUAG 架构总经理 Franck Mouriaux 表示。“例如,我们可依靠设计自由度和复杂的零部件减轻重量。集成各种功能的能力也非常实用。然而,最终需要挖掘这些潜在优势,以理想方式加以实现并获取所需的授权。如果不能使用,即使最简单的零部件也毫无意义。”
设计天线支架时,首先要进行基本 适用性和刚度测试。接下来,需要 选择材料、指定加工工艺并就材料 特性进行最初的基本测试。然后, 构建经过最初测试的结构,基于 此对零部件的拓扑进行优化。最终, 将 CAD 和 Altair 的 FEM 系统紧密 配合,并在 EOS 的指导下进行设计 并使用增材制造进行构建,RUAG 获得了理论上完美的天线支架 外形。
德国巴尔莱本的 citim GmbH 使用EOS M 400 生产出了长约 40 cm 的天线支架。其成型空间为 400 mmx 400 mm x 400 mm,采用单个成型工序可生产出两个天线、30 种拉伸测试件并可进行各种测试。成型时间约80小时。使用的参数集适用于60μm层厚,而此层厚已针对表面质量和生产力进行优化。

使用的铝合金材料为 EOS AluminiumAlSi10Mg,其特点是强度高,且抗动态应力性能强,因此非常适合高应力零部件。为展示所需的特性,对组件执行了全面测试。在航空航天领域,这些测试构成了项目总工作量的 80%。测试过程中,采用了专门制造的测试结构。此外,工程师采用计算机断层扫描对支架进行了检测。而且,执行了各种机械和物理测试步骤。在测试时,有时有意使零部件承受的应力超过负荷限制,最终使测试件损坏。

成果
付出的努力终于获得回报,“哨 兵”(Sentinel) 卫星的新型天线支 架超出了所有预期。该零部件获得相关认证，准予将其用于外太空。考虑到增材制造在航空领域的应用仍处于初级阶段，因此此成果更具非凡意义。
例如，零部件刚度已超出最低要求30%，此裕量足以确保即使在湍流飞行之后，仍可以获得理想的天线位置，而且，能够保证与地球之间的无线电通信。零部件的稳定性可以达到目标水平，这在一定程度上是因为应力分布高度均匀。而且，使用增材制造明显降低了成品零部件的重量:从 1.6 kg 降至 940 g,重量减轻了 40%。在此实例中,使用创新技术成功获得了近乎不可能达到的组合:提高零部件性能的同时降低系统成本。
“我们对于此项目取得的成果非常满意。我们开拓了此工艺的未知领域,并且获得了稳定的轻量化零部件,”航天工程师 Mouriaux 表示。“增材制造已经表明,它能够 满足太空旅行的基本程序需求。 零部件本身的多种设计优点和特 性已经证明了这一点。在我看来, 这项技术具有巨大的发展潜力。”

因此,在好莱坞为我们呈现激动人 心的科幻影片的同时,创新技术正 持续将它们变成现实,探索设计 和构建的未知领域。

扑优化和增材制造相互结 合,助力将重量减半、减少 应力、增强刚度并尽量缩短 设计时间。