3D打印制造金属反射镜

| 3DScienceValley · 2020/05/09

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折反式光学系统被广泛应用于测量与遥感等领域。随着科技的迅速发展，光电遥感设备的折反式光学系统向着灵巧型、轻质和高分辨率方向发展，从而对折反式光学系统中光学元件的体积、重量等参数提出了更高的要求。

折反式光学系统中的光学元件通常采用碳化硅材料、微晶材料和金属材料，其轻量化方式是通过传统机械加工，在不影响外形尺寸、结构完整性和满足机械加工工艺的条件下对反射镜进行加工去除。

碳化硅材料是航空航天领域中最常用的反射镜材料，其具有良好的热稳定性和比刚度，表面改性后面形精度可以达到可见光级精度要求。但是碳化硅反射镜，从镜坯成形，到最终的表面改性、抛光，其加工工艺路线繁琐，加工周期较长，很难满足快速性的要求，同时成本较高。

微晶玻璃材料反射镜也可以获得良好的面型精度，但是无法做到高度轻量化，另外也存在材料质地脆、热导率低等缺点。通过锻造方式获得的金属基反射镜，因其具有加工工艺性好、材料价格低等优势也逐渐获得应用，典型的金属基材料包括铝合金等。但是由于传统机械加工方式的限制，铝合金反射镜很难同时满足轻质和高刚度的需求，也在一定程度上限制了铝合金反射镜的应用。

为解决以上问题，针对折反式光学系统的光学元件，基于增材制造（俗称3D打印）的铝合金材料金属反射镜技术应运而生。增材制造（俗称3D打印）金属基反射镜具有以下优势：

(1) 增材制造金属基反射镜同样具备传统工艺制造的金属反射镜的优势，例如加工工艺性好，与碳化硅等材料相比有着明显的价格优势等。

(2) 由于机械结构材料通常为铝合金，增材制造反射镜有着与之相近的热膨胀系数，便于实现无热化设计;

(3) 可以将拓扑优化思想应用于金属反射镜的设计。在金属反射镜设计过程中，考虑增材制造技术的工艺限制，建立拓扑优化数学模型，设计背板封闭/周边封闭式金属反射镜，并对面形精度进行仿真分析，在理论上获得增材制造金属反射镜的最优结构形式与面形精度。

但是增材制造（俗称3D打印）金属反射镜由于加工设备和工艺的限制，无法制备大口径反射镜，同时，其比刚度也弱于碳化硅材料，在大口径反射镜的设计与制备上不具备优势。

国外对于基于增材制造技术的金属反射镜研究已经比较成熟，主要集中在金属反射镜基体设计研究和增材制造金属反射镜基体后处理研究等方面。

2015年，美国康宁公司通过增材制造技术制备了一个蜂窝状轻质高性能铝镜，如图1 所示，其轻量化形式与传统金属反射镜轻量化形式相同，都采用了背部蜂窝状轻量化结构。与传统金属反射镜基体制备相比，增材制造技术提高了反射镜基体的加工成形效率。

图1 背部蜂窝轻量化结构反射镜

德国弗劳恩霍夫激光技术研究所提出了一种应用增材制造技术制备金属反射镜的技术路线。其在反射镜加工成形的过程中，在内部预留出复杂的流道，使其可以应用于水冷镜等领域，如图2(a) 所示。该成形工艺无需传统复杂的模具或焊接工艺，提高了加工效率，减小了内应力。同时，其设计了可以通过增材制造技术而制备的高度轻量化的金属反射镜，整个反射镜呈夹层式的封闭蜂窝状结构，通过内部加强筋上的孔使所有蜂窝状空间连通起来，保证能够顺利排粉，如图2(b)所示。与传统金属反射镜的背部轻量化形式相比，该结构提高了反射镜的刚度。

图2 增材制造金属反射镜概念设计

德国科学家等人根据光学设计需要，将离轴三反光学系统的主镜和三镜作为一个光学元件，并通过增材制造技术进行制备。通过优化光学元件内部的加强筋结构，获得了轻量化程度更高的结构形式，如图3所示。图3 一体式金属反射镜三维结构

2017 年，美国国家航空航天局H．PhilipStahl 在可见/红外望远镜的先进光学系统和制造技术报告中提出了利用增材制造技术制备高轻量化的非球面镜，通过激光选区烧结AlSi10Mg粉末制备500 mm口径的反射镜，如图4所示。通过金刚石单点车对基体进行加工，其应用领域为深空光通信( DSOC) 、类地行星搜索等，也可以应用在其他需要低造价高轻量化光学元件的科学领域。

图4增材制造非球面反射镜

E．Hilpert 等人对制备好的反射镜基体进行机械加工、单点车( SPDT) 等后处理工序，经过表面改性后，在抛光工序上先采用磁流变抛光进行修行，然后通过化学机械抛光工艺来提高表面粗糙度，最后获得了良好的面形和表面粗糙度。图5(b) 为单点车加工后的反射镜。制备的铝金属反射镜的表面粗糙度为0．4 nm，面形ＲMS值为12．5 nm。该反射镜通过机械加工-单点车-改性-抛光工艺流程制备，可以获得满足可见光波段光学指标要求的表面粗糙度。

图5(a) 增材制造反射镜单点加工过程及(b)加工后产品

2015年，亚利桑那大学H．Herzog 等人提出了基于增材制造技术的金属反射镜的工艺流程，并提出了通过热等静压技术来提高金属反射镜致密度的方法，并对反射镜直接进行了单点车和抛光等后处理加工工艺，在没有进行表面改性镀膜的情况下，获得了良好的光学镜面质量，图6为增材制造反射镜抛光中和抛光后的示意图。制备的铝金属反射镜的表面粗糙度为22 nm，P-V 值为255 nm。该反射镜通过机械加工-单点车-抛光工艺流程制备，由于没有进行表面镀膜改性，粗糙度无法满足可见光波段的光学指标要求。

图6 增材制造反射镜抛光加工

2018 年，C．Atkins 等人通过增材制造技术制备了应用结构优化算法的AlSi10Mg金属反射镜，金属反射镜的直径为40 mm，高度为6 mm，为了获得致密度更高的光学表面，通过在反射镜表面镀NiP 改性层来进行镜面改性处理，图7(a) 为通过改性抛光后制备的增材制造反射镜，反射镜重量仅为11．7 g，面形ＲMS 值为31 nm。

图7 金属反射镜的改性和抛光

Eberle等人对表面镀NiP 增材制造反射镜进行了稳定性的研究，基体材料为AlSi40。由于NiP 镀层和基体材料有着相近的热膨胀系数，在低温环境下仍然具有很好的稳定性，所以可以被应用在低温光学等领域。

如表1所示。主要列举了国外研制的增材制造金属反射镜的基体材料、口径、表面粗糙度和面形质量等相关参数。

表1 增材制造金属反射镜技术参数

针对国外对增材制造金属反射镜基体后处理的研究，可以得出增材制造反射镜的特点:

(1) 增材制造反射镜基体的加工工艺性良好，可以直接进行单点车、离子束修形等加工工艺。

(2) 可在增材制造反射镜上直接钻孔或攻丝，易于实现反射镜体与支撑结构的一体化设计。

(3) 增材制造反射镜基体的内应力可以通过合适的热处理工艺释放，具有良好的尺寸稳定性，可以满足反射镜的使用要求。

(4) 增材制造反射镜不进行表面改性，仅通过单点车和抛光工艺加工，表面面形精度可以满足红外和可见光波段的需求，但是表面粗糙度仅有7～22 nm，无法满足可见光波段的需求。这是因为反射镜基体的致密度不足，存在激光选区熔化过程中生成气孔等问题。后续研究可以在增材制造反射镜的成形工艺参数和热等静压处理参数方面进行进一步的研究和优化，提高增材制造反射镜基体致密度，期望获得无需表面改性镀膜就可以满足可见光波段应用的增材制造反射镜基体。

(5) 目前，为了获得满足可见光波段的镜面指标，反射镜镜面需要经过表面改性镀膜处理。

国内已经将金属反射镜应用于航空航天领域，如风云系列卫星中的扫描镜、昆明物理所谢启明等人研制了口径为235 mm的非球面铝合金反射镜等。增材制造反射镜与传统加工工艺制造的金属反射镜相比，有着独特的优势，可以更好地服务于航空航天领域。

图8总结了金属反射镜制备的技术路线。对于中、长波金属反射镜的制备，无需进行表面镀膜改性，在增材制造反射镜基体上直接通过单点车的方式就可以获得满足红外波段光学指标的面形精度和表面粗糙度。对于应用于可见和短波红外波段的金属反射镜，由于增材制造反射镜基体的致密度满足不了光学指标要求，需要在单点车工序后在反射镜表面进行镀膜改性，通过在表面镀致密的改性层，再经过后续的加工来获得所需的表面粗糙度和面形精度。

图8 增材制造金属反射镜工艺路线