RUAG 的“哨兵”(Sentinel) 衛星天線支架 - 經過認證可用於外太空
輕量化且高度穩定:使用增材製造技術以 EOS Aluminium AlSi10Mg 材料為“哨兵”(Sentinel) 衛星製造的拓撲優化天線支架。 (來源:EOS GmbH)
對很多人而言，談到宇宙的浩瀚無垠，往往會聯想到好萊塢電影公司製作的科幻電影；然而，在現實世界中，太空旅行相對於其他領域來說，強烈的意願和清晰的願景對於打造所需的技術並且將其順利部署在宇宙中更為至關重要。這就是瑞士科技集團 RUAG 設計其“哨兵”(Sentinel) 衛星(旨在用於從太空觀察地球)所面臨的挑戰。即使在地球大氣層之外，積層製造也發揮著重要作用。
面臨的挑戰
根據德國航空航太中心 (DLR) 的報告，自 2016 年起，太空探索任務中，搭載每千克有效負荷的成本超過20,000 歐元。重量越輕，升空所需的燃料就越少，由此每減輕一克重量都能降低總發射成本。由於多餘的重量會迅速累積，因此，航空航太工程師需要盡可能減輕每個零部件的重量；在這種情況下，瑞士 RUAG 集團需要的是一款具有優化設計的天線支架。
但是，僅優化重量還遠遠不夠。在火箭發射過程中，有效載荷確確實實會受到振動，而且振動幅度相當劇烈；除此之外，且不論巨大的重力，單單每小時數千千米的超高速度也意味著飛行器不會像客機那樣平穩。穩定性和剛度構成了產品設計的第二大關鍵因素。遺憾的是，此類要求往往與輕量化設計的需求完全相悖。工程師採用複雜的結構實現外形和重量之間的完美平衡。RUAG 團隊試圖設計出兼顧強度與重量要求的最優化天線支架結構，並用盡了所有傳統製造方法；幸好，積層製造提供了完美方案，可達到所需的設計自由度。
零部件測試也極具挑戰，不僅僅是因為前文所述的振動。在外太空，由於通常無法進行維修，可靠性顯得尤為重要。這也解釋了獲得此類零部件的授權如此複雜且歷時較長的原因。每一個認證都代表獲取該認證的工程師的無限光榮。
解決方案
在這種情況下，完整的生產鏈發揮著重要作用，尤其是在航空航太領域。顯然使用積層製造生產零部件可帶來巨大優勢，因此引起了我們極大的興趣。
”RUAG 架構總經理 Franck Mouriaux 表示:“我們可依靠設計自由度和複雜的零部件減輕重量，集成各種功能的能力也非常實用；然而，最終需要挖掘這些潛在優勢，以理想方式加以實現並獲取所需的授權。如果不能使用，即使最簡單的零部件也毫無意義。”
設計天線支架時，首先要進行基本適用性和剛度測試。接下來，需要選擇材料、指定加工工藝並就材料特性進行最初的基本測試；然後，構建經過最初測試的結構，基於，此對零部件的拓撲進行優化；最終，將 CAD 和 Altair 的 FEM 系統緊密配合，並在 EOS 的指導下進行設計並使用積層製造進行構建，RUAG 設計出理論上完美的天線支架外形。
德國巴爾萊本的 citim GmbH 使用EOS M 400 生產出長約 40 cm 的天線支架。其成型空間為 400 mmx 400 mm x 400 mm，採用單個成型工序可生產出兩支天線、30 種拉伸測試件並可進行各種測試，成型時間約80小時，使用的參數集適用於60μm層厚，而此層厚已針對表面品質和生產力進行優化。
使用的鋁合金材料為 EOS Aluminium AlSi10Mg，其特點是強度高且抗動態應力性能強，因此非常適合高應力零部件。為展示所需的特性，對組件執行了全面測試。在航空航太領域，這些測試構成了項目總工作量的 80%；測試過程中，採用了專門製造的測試結構；除此之外，工程師採用電腦斷層掃描對支架進行了檢測，並且執行了各種機械和物理測試步驟。在測試時，有時使零部件承受的應力超過負荷限制，最終使測試件損壞。
成果
付出的努力終於獲得回報，“哨兵”(Sentinel) 衛星的新型天線支架超出了所有預期。該零部件獲得相關認證，准予將其用於外太空。考慮到積層製造在航空領域的應用仍處於初級階段，因此此成果更具非凡意義。
例如，零部件剛度已超出最低要求30%，此預留量足以確保即使在湍流飛行之後，仍可以確保獲得理想的天線位置，而且，能夠保證與地球之間的無線電通信。零部件的穩定性可以達到目標水準，這在一定程度上是因為應力分佈高度均勻；而且，使用積層製造明顯降低了成品零部件的重量，從 1.6 kg 降至 940 g，重量共減輕了 40%。在此實例中，使用創新技術成功獲得了近乎不可能達到的組合:「提高零部件性能的同時降低系統成本」。
“我們對於此專案取得的成果非常滿意。我們開拓了此工藝的未知領域，並且獲得了穩定的輕量化零部件，”航太工程師 Mouriaux 表示。“積層製造已經表明它能夠滿足太空旅行的基本程式需求。零部件本身的多種設計優點和特性已經證明了這一點。在我看來，這項技術具有巨大的發展潛力。”
因此，在好萊塢為我們呈現激動人心的科幻影片的同時，創新技術正持續將它們變成現實，探索設計和構建的未知領域。
