高功率、輕量的射頻(RF)被動元件對於衛星通訊酬載至關重要，粉床融合金屬積層製造(AM)製程已發展成熟，成為開發任意形狀RF和微波元件的突破性技術。本文展示基於物理的模擬技術在最佳化毫米波帶通濾波器(Band-pass Filter)的應用，包含從建模/合成到製程的過程，使其可安全地發射上太空。
用於積層製造程序的模擬輔助
(承前文)粉床選擇性雷射燒熔(SLM)製程方法使用高強度雷射(~1010W/m2)，以0.1mm數量級的雷射光束寬度熔化粉床材料層。粉床零件暴露於雷射強度下會熔化，隨後凝固並經歷暫態熱梯度。在垂直(建構)方向另一層的接續行程(Pass)中，熱梯度可能會造成前一次行程固化層的反覆軟化。在建構程序中，此熱歷程會影響零件的機械變形。除了雷射掃描模式外，粉床的顆粒材料屬性和建構方向也可能會在製造期間影響零件變形。
由於沉積的金屬需要時間冷卻並達到固態材料的硬度，固化中金屬可能需要物理性支撐。這些支撐結構可在建構程序完成後，從最終組件切除。因此，支撐可提供接觸熱傳導，代表需要對零件產生最小應力，同時提供足夠的支撐，並將支撐體積降至最低的最佳支撐策略。另一方面，零件方向也會決定建構時間。例如，如果零件朝向是沿著建構方向的縱向(與建構板垂直)，便可能需要額外行程，進而增加整體建構時間。雖然實心支撐容易設計且結構更堅固，但薄壁支撐與格(Lattice)體積最小，也更有效率。
圖4顯示具最佳化建構時間、支撐體積和機械變形之建構方向的熱圖。水平和垂直軸表示零件相對於X軸(在建構板平面)和Z軸(建構方向)的方位角度。綠色區域表示在建構時間、支撐體積和變形趨勢權重相等的最佳建構方向，而紅色區域代表最不佳的方向。
圖4 針對涉及建構時間、支撐體積和變形趨勢的綜合條件之建構方向最佳化圖(綠色表示最佳案例情境，紅色表示最壞案例情境)
較垂直的方向也可以改善內側表面的粗糙度品質，而代價是建構時間和內部支撐需求都會增加。基於這些考量，選擇相對於水平呈15o的方向作為建構方向。圖5顯示建構方向以及底座支撐結構。支撐具壁厚100μm的薄壁結構，而且容易移除。用於選擇候選設定的最佳化演算法，是以幾何學和AM製程捷思法(Heuristics)為基礎。此外，也可能發生結構變形。這使得預測研究成為早期設計補償的關鍵，特別是在此等高頻率範圍內。
圖5 使用Ansys Additive Print[11]模擬之設計建構方向及支撐結構
最直接且高傳真的解決方案需要耦合熱及機械分析。考慮到雷射點的較小尺寸 (相對於零件而言)，此方法在演算上不可行。我們發現更實際的「集總層」方法很有用，其中數次沉積行程會同時模擬。
模型針對以下列矩陣方程式表示之偶合暫態熱及準靜態結構問題進行求解：
方程式(2)代表暫態熱問題，其中[C]和[K]分別是熱容量與熱導率矩陣，而Q(t)是求解期間特定時間t的熱通量。與周圍空氣間的對流邊界條件和與相鄰粉床的傳導邊界條件也相應納入。方程式(3)代表準靜態結構問題，其中{u}為計算的變形，而[K]為結構硬度矩陣。圖5中的建構方向設定，係使用Ansys Additive Print[11]搭配集總層方法進行模擬。此模擬假設建構材料(AlSi10Mg)具有標準彈性材料屬性。此鋁合金通常用於航太應用。此模擬使用0.1mm的笛卡兒(體素)網格。圖6顯示積層列印模擬的變形(左)及等效應力圖(右)。
圖6 所提出之建構設定的(a)切除後變形圖(單位為mm)和(b)等效應力(單位為MPa)條件
來自建構幾何的列印零件最大變形為0.1mm數量級。同樣地，零件等效應力圖也顯示濾波器幾何中的殘餘應力相對較低(為數十MPa等級)。模擬結果顯示，設計幾何非常適合用於打造成功的3D列印零件。在零件顯著變形的極端情況下，可利用以FEA解決方案為基礎的逆向分析，來建立變形補償幾何。列印時，後者將產生接近初始預期設計的幾何結構。
積層製造和測量
最佳化的設計使用AlSi10Mg材料進行積層製造，這些材料經過精密調整，可生產具有足夠機械性能和熱導率的工業零件。相較於其他鋁合金而言，此材料結合矽與鎂作為合金元素，可大幅提升強度與硬度。由於直接金屬列印時熔化和固化極為快速，LaserForm AlSi10Mg在維持輕量的同時，展現出精細的微結構與高強度，使其適合汽車與航太應用。製造出的原型將經過手動拋光，並移除所有支撐結構，如圖7(a)所示，而測量設定則如圖7(b)所示。製造的原型成功通過品質檢查。圖8顯示模擬與測量之間的比較。結果顯示良好的相關性，具有些微頻率偏移，可能為製造公差或表面粗糙度所致。
圖7 (a)最終製造的原型；(b)測量設定
圖8 七階帶通濾波器之模擬和測得的反射及傳輸係數
結論與未來工作
本文展示了一個完整的端對端工作流程，用於設計高功率、輕量的七階帶通濾波器，其於毫米波頻段運作，可用於5G SATCOM應用。過程中使用設計合成和先進的AI最佳化技術微調擬定的設計，以符合業界規格。除此之外也執行了模擬，讓積層製造程序最佳化，並取得最佳列印方向設定。
未來可在模擬模型中納入測量到的表面粗糙度數值，以調查對整體濾波器效能的影響，進一步強化設計。此外，藉由執行公差和穩健性分析，也能確保完整了解製造可靠性。最後，為了確保可靠性，將進行倍增效應(Multipaction)和電擊穿研究。這些高功率RF裝置必須證實安全無虞，且沒有高功率相關的故障現象。
(本文由Ansys提供)
積層製造/AI演算法加持 毫米波帶通濾波器輕鬆上太空(1)
積層製造/AI演算法加持 毫米波帶通濾波器輕鬆上太空(2)
參考資料
[1] R. Elhajjar, T. Gill, “Studies into Additive Manufacturing for In-Space Manufacturing,” (針對太空中製造的積層製造研究) ISBN 978-0-7680-8374-3, SAE International, 2016.
[2] B. Athayde Malafaya, M. C. Marques, I. A. Ferreira, M. M. F. Machado, G. A. R. Caldas, J. Belinha, F. J. L. Alves, R. M. Natal Jorge, “Additive Manufacturing from a Biomedical Prospective,” (從生醫觀點的積層製造) IEEE 6th Portuguese Meeting on Bioengineering, April 2019.
[3] D. Bhate, “Design of Additive Manufacturing Concepts and Considerations for the Aero Space Industry,” (針對航太工業之積層製造概念設計及考量) Society of Automotive Engineers, Online ISBN 9780768091502, 2019.
[4] S. Zhang, W. Whittow, D. Cadman, R. Mittra, J. Y. C. Vardaxoglou, “Additive Manufacturing for High Performance Antennas and RF Components,” (高效能天線和 RF 元件的積層製造) IEEE MTT-S International Wireless Symposium (IWS), May 2019.
[5] S. Zhang, D. Cadman, W. Whittow, D. Wang, G. Chi-Tangyie, A. Ghosh, A. Ketharam, A. Goulas, I. Reaney, B. Vaidhyanathan, D. Engstrom, J. Y. C. Vardaxoglou, “3D Antennas, Metamaterials, and Additive Manufacturing,” (3D 天線、超材料和積層製造) IEEE MTT-S International Wireless Symposium, May 2019.
[6] F. T. Talom, S. Turpault, “Additive Manufacturing for RF microwave devices: Design, performances and treatments improvement evaluations,” (RF 微波裝置的積層製造：設計、效能與處理改善評估) IEEE International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Sep. 2017.
[7] A. Reinhardt, M. Mobius-Labinski, C. Asmus, A. Bauereiss, M. Hoft, “Additive Manufacturing of 300GHz Corrugated Horn Antennas,” (300GHz 波紋錐狀天線的積層製造) IEEE MTT-S International Microwave Workshop Series on Advanced Materials and Processes for RF & THz Applications, Jul. 2019.
[8] P. Wang, Y. Li, L. Song and B. Vucetic, “Multi-gigabit millimeter wave wireless communications for 5G: from fixed access to cellular networks,” (用於 5G 的 Multi-gigabit 毫米波無線通訊：從固定存取到行動網路) IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 1, pp. 168-178, Jan. 2015.
[9] T.-H. Chio, G.-L. Huang, and S.-G. Zhou, “Application of Direct Metal Laser Sintering to Waveguide-Based Passive Microwave Components, Antennas, and Antenna arrays,” (直接金屬雷射燒結應用於波導式被動微波元件、天線和天線陣列) Proc. IEEE, vol. 105, no. 4, pp. 632–644, Apr. 2017.
[10] A. I. Dimitriadis et al., “Polymer-Based Additive Manufacturing of High-Performance Waveguide and Antenna Components,” (高效能波導及天線元件之聚合物式積層製造) Proc. IEEE, vol. 105, no. 4, pp. 668–676, Apr. 2017.
[11] Ansys Inc. www.ansys.com
[12] M. H. Bakr, J. W. Bandler, K. Madsen, and J. Søndergaard, “Review of the Space Mapping Approach to Engineering Optimization and Modeling,” (工程最佳化和建模的空間對應方法評論) Optimization and Engineering 1, Review 200, pp. 241-276, Sep. 2000.
[13] SynMatrix Technologies Inc. https://www.synmatrixtech.com/