CN111112614A - 一种光学金属镜的制作方法及光学金属镜 - Google Patents

一种光学金属镜的制作方法及光学金属镜 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学金属镜技术领域，公开一种光学金属镜的制作方法及光学金属镜。其中，光学金属镜的制作方法包括：S1.利用3D打印方法在金属基板的第一侧面上打印支撑部，并使所述支撑部与所述金属基板之间形成镂空结构；S2.对所述金属基板的第二侧面进行加工以形成镜面。本发明提供的光学金属镜的制作方法，首先，利用3D打印的方法，可以使支撑部与金属基板之间形成结构复杂的镂空结构，从而起到很好的减重作用，使光学金属镜更加的轻量化；其次，支撑部能够起到对金属基板的支撑和加固的作用，从而有利于提高光学金属镜整体的强度和刚度；同时，在组织致密的金属基板上加工镜面，可以保证镜面的致密度，确保镜面的成像质量。

Description

一种光学金属镜的制作方法及光学金属镜
技术领域
本发明涉及光学金属镜技术领域，尤其涉及一种光学金属镜的制作方法及光学金属镜。
背景技术
在航空或量测等工程领域，通常需要使用光学金属镜进行光学成像，并且对光学金属镜的性能具有较高的要求，一般不仅要求光学金属镜的镜面具有较高的致密度，以保证成像质量，而且要求光学金属镜整体的重量轻且强度高。
在现有技术中，一般利用组织致密的金属基板制作光学金属镜，此种制作方法虽然保证了镜面的致密度和成像质量，但是不利于保证光学金属镜的强度和减轻光学金属镜的重量。
因此，亟需一种新型的光学金属镜的制作方法以解决上述技术问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种光学金属镜的制作方法，不仅能够保证镜面的致密度和成像质量，而且能够保证光学金属镜的强度，减轻光学金属镜的重量。
本发明的另一个目的在于提供一种光学金属镜，采用上述光学金属镜的制作方法制作，不仅能够保证镜面的致密度和成像质量，而且能够保证光学金属镜的强度，减轻光学金属镜的重量，使光学金属镜更加地轻量化。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光学金属镜的制作方法，包括：
S1.利用3D打印方法在金属基板的第一侧面上打印支撑部，并使所述支撑部与所述金属基板之间形成镂空结构；
S2.对所述金属基板的第二侧面进行加工以形成镜面。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：
S01.在所述金属基板的第一侧面上挖设减重槽；
S02.在所述减重槽内填满3D打印粉末，以使所述金属基板的第一侧面为平面。
进一步地，在步骤S1与步骤S2之间还包括：
S03.将所述减重槽内的所述3D打印粉末清除。
进一步地，在步骤S01之前，还包括：
在所述金属基板上设计初始减重槽，并对所述初始减重槽进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在所述金属基板的第一侧面上挖设所述减重槽。
进一步地，在步骤S1之前，还包括：
在所述金属基板的第一侧面上设计初始支撑部，并对所述初始支撑部进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在所述金属基板的第一侧面上打印所述支撑部。
进一步地，在步骤S1中，所述支撑部的首层打印层和/或靠近首层的打印层，通过加大激光功率、放慢烧结速度和/或多次重复烧结的方式进行烧结。
进一步地，在步骤S2中，利用线切割或车削的方法对所述金属基板的第二侧面进行加工以形成所述镜面，并使所述镜面呈凹弧面。
一种光学金属镜，包括：
金属基板，其第一侧打印有支撑部，且所述支撑部与所述金属基板之间设置有镂空结构，所述金属基板的第二侧设置有镜面。
进一步地，所述支撑部包括接口区、连接筋和连接柱，所述接口区内设置有固定孔，所述固定孔用于安装固定所述金属基板，所述连接筋通过所述连接柱悬空架设在所述金属基板上以形成所述镂空结构。
进一步地，所述接口区内设置有防变形槽，所述防变形槽位于所述固定孔的周侧。
进一步地，所述接口区与所述连接筋交替连接形成封闭的环形。
进一步地，所述支撑部还包括支撑环，所述接口区和所述连接筋围绕所述支撑环设置，且所述接口区与所述支撑环连接。
进一步地，所述接口区呈环形，多根所述连接筋沿所述接口区的周向呈辐射状排列。
进一步地，所述连接筋的一端直接与所述金属基板连接，另一端搭设在所述连接柱的顶部。
进一步地，所述金属基板的第一侧设置有减重槽。
本发明的有益效果为：
本发明提供的光学金属镜的制作方法，利用3D打印方法在金属基板的第一侧面上打印支撑部，然后通过对金属基板的第二侧面进行加工来形成镜面。利用3D打印方法打印支撑部，首先，与传统的钻孔或铣削等机械加工方法相比，利用3D打印的方法可以使支撑部与金属基板之间形成结构复杂的镂空结构，而结构复杂的镂空结构能够起到很好的减重作用，使光学金属镜在保证强度的前提下更加的轻量化；其次，支撑部能够起到对金属基板的支撑和加固的作用，从而有利于提高光学金属镜整体的强度和刚度，保证光学金属镜的结构稳定性；另外，支撑部可以作为光学金属镜的安装和固定结构使用，以便于对光学金属镜进行安装和固定。同时，在组织致密的金属基板上加工镜面，可以保证镜面的致密度，确保镜面的成像质量。
本发明提供的光学金属镜，采用上述光学金属镜的制作方法制作，不仅能够保证镜面的致密度和成像质量，而且能够保证光学金属镜的强度，减轻光学金属镜的重量，使光学金属镜更加的轻量化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的光学金属镜的制作流程图；
图2是本发明实施例二提供的光学金属镜的结构示意图；
图3是本发明实施例三提供的光学金属镜的结构示意图；
图4是本发明实施例四提供的光学金属镜的结构示意图。
图中：
100-镂空结构；
1-金属基板；11-镜面；12-减重槽；
2-支撑部；21-接口区；211-固定孔；212-防变形槽；22-连接筋；23-连接柱；24-支撑环；25-减重网格。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，或者用于区分不同结构或部件，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种光学金属镜的制作方法，包括：S1.利用3D打印方法在金属基板1的第一侧面上打印支撑部2，并使支撑部2与金属基板1之间形成镂空结构100；S2.对金属基板1的第二侧面进行加工以形成镜面11。
本实施例提供的光学金属镜的制作方法，利用3D打印方法在金属基板1的第一侧面上打印支撑部2，然后通过对金属基板1的第二侧面进行加工来形成镜面11。利用3D打印方法打印支撑部2，首先，与传统的钻孔或铣削等机械加工方法相比，利用3D打印的方法可以使支撑部2与金属基板1之间形成结构复杂的镂空结构100，而结构复杂的镂空结构100能够起到很好的减重作用，使光学金属镜在保证强度的前提下更加的轻量化；其次，支撑部2能够起到对金属基板1的支撑和加固的作用，从而有利于提高光学金属镜整体的强度和刚度，保证光学金属镜的结构稳定性；另外，支撑部2可以作为光学金属镜的安装和固定结构使用，以便于对光学金属镜进行安装和固定。同时，在组织致密的金属基板1上加工镜面11，可以保证镜面11的致密度，确保镜面11的成像质量。
可选地，在本实施例中，金属基板1通过锻造方法加工成型。锻造方法可以保证金属基板1的组织致密性。
优选地，在步骤S1之前，还包括：S01.在金属基板1的第一侧面上挖设减重槽12；S02.在减重槽12内填满3D打印粉末，以使金属基板1的第一侧面为平面。可选地，利用铣削方法在金属基板1的第一侧面上挖设减重槽12。通过在金属基板1上挖设减重槽12，可以进一步地起到减重的作用，使光学金属镜更加地轻量化。在打印支撑部2之前，在减重槽12内填满3D打印粉末，可以使打印基面即金属基板1的第一侧面呈平面，从而便于后续对支撑部2进打印。
进一步地，在步骤S1与步骤S2之间还包括：S03.将减重槽12内的3D打印粉末清除。即在支撑部2打印完成后，此时不再需要使金属基板1的第一侧面呈平面，因此可以将减重槽12内的粉末倒出，使减重槽12保持自身的形貌。
优选地，在步骤S01之前，还包括：在金属基板1上设计初始减重槽，并对初始减重槽进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在金属基板1的第一侧面上挖设减重槽12。通过拓扑优化设计，可以优化减重槽12的结构，以便在保证金属基板1强度的前提下最大限度的实现减重。
优选地，在步骤S1之前，还包括：在金属基板1的第一侧面上设计初始支撑部，并对初始支撑部进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在金属基板1的第一侧面上打印支撑部2。同理，通过拓扑优化设计，可以优化支撑部2的结构，在保证金属基板1和支撑部2强度的前提下，使支撑部2与金属基板1之间形成尽可能多的镂空结构100，从而有利于实现光学金属镜的轻量化。
优选地，在步骤S1中，在打印支撑部2时，支撑部2的中心线平行或大致平行于3D打印成型方向，即两者之间的夹角可以在一定范围内进行微调。
优选地，在步骤S1中，在打印支撑部2时，支撑部2的首层打印层和/或靠近首层的打印层，通过加大激光功率、放慢烧结速度和/或多次重复烧结等方式进行烧结，以增加支撑部2与金属基板1之间的连接强度。
可选地，在步骤S2中，利用线切割或车削的方法对金属基板1的第二侧面进行加工以形成镜面11，并使镜面11呈凹弧面。为了使镜面11呈凹弧面，金属基板1的厚度需要大于凹弧面的凹陷深度。
可选地，金属基板1和支撑部2均为铝合金材质。进一步地，金属基板1为AlSi40铝合金、6061铝合金或7075铝合金材质；和/或支撑部2为AlSi7Mg铝合金或AlSi10Mg铝合金材质。镜面11的粗糙度通常要小于0.5nm。由于铝合金质地软，磨削较为困难，所以通常采用将铝合金的镜面11加工至粗糙度在3nm以内，然后再镀镍。通过磨削镍层，使镜面11的粗糙度在0.5nm以内。由于6061铝合金和镍层的热膨胀系数有差异，光学金属镜在使用过程中的温度变化会导致镜面11的质量漂移恶化，所以金属基板1优选为AlSi40铝合金材质，AlSi40铝合金的热膨胀系数与镍层基本相同，可以抵消掉温度变化对镜面11的影响。
可选地，金属基板1和支撑部2均为钛合金材质。进一步地，金属基板1为Ti6Al4V钛合金材质；和/或支撑部2为Ti6Al4V钛合金材质。
实施例二
如图2所示，本实施例提供一种光学金属镜，采用上述的光学金属镜的制作方法制作，具体地，光学金属镜包括金属基板1，金属基板1的第一侧打印有支撑部2，且支撑部2与金属基板1之间设置有镂空结构100，金属基板1的第二侧设置有镜面11，其中镜面11在图2中并未示出，可参照图1所示，镜面11为凹弧面。
本实施例提供的光学金属镜，不仅能够保证镜面11的致密度和成像质量，而且能够保证光学金属镜的强度，减轻光学金属镜的重量，使光学金属镜更加的轻量化。
优选地，支撑部2包括接口区21、连接筋22和连接柱23，接口区21内设置有固定孔211，固定孔211用于安装固定金属基板1，连接筋22通过连接柱23悬空架设在金属基板1上以形成镂空结构100。通过在接口区21设置固定孔211，能够便于对光学金属镜进行安装和固定。通过连接筋22和连接柱23的配合，不仅能够起到对金属基板1的支撑和加固的作用，而且能够形成镂空结构100，起到减重的作用。
进一步地，接口区21通过连接柱23悬空架设在金属基板1上。即在本实施例中，接口区21和连接筋22均以悬空的方式设置，接口区21和连接筋22的下方均设置有镂空结构100。
优选地，接口区21内设置有防变形槽212，防变形槽212位于固定孔211的周侧。通过设置防变形槽212，有利于防止固定孔211的扰动造成镜面11的型面发生变化。
可选地，接口区21与连接筋22交替连接形成封闭的环形。具体地，在本实施例中，接口区21与连接筋22交替连接形成六边形的环形。即在本实施例中，接口区21和连接筋22的数量分别为三个。进一步地，每个接口区21均设置有一个固定孔211。可选地，连接柱23的一端与接口区21与连接筋22连接处连接，另一端与金属基板1连接。
优选地，支撑部2还包括支撑环24，接口区21和连接筋22围绕支撑环24设置，且接口区21与支撑环24连接。通过设置支撑环24，有利于提高支撑部2结构的稳定性。
实施例三
如图3所示，本实施例提供另外一种光学金属镜，本实施例提供的光学金属镜与实施例二的区别之处在于，在实施例二提供的光学金属镜的基础上增设了减重槽12和/或减重网格25。
可选地，金属基板1的第一侧设置有减重槽12。通过设置减重槽12，可以减轻金属基板1的重量，从而更加有利于光学金属镜的轻量化。
可选地，支撑部2还包括减重网格25，金属基板1的第一侧面上设置有凹槽，减重网格25铺设在凹槽中。减重网格25通过3D打印的方式设置在金属基板1的第一侧面，且为了保证连接强度，减重网格25避开了连接柱23与金属基板1的连接处以及支撑环24与金属基板1的连接处。
当金属基板1的第一侧设置有减重槽12时，可以使减重网格25盖设在减重槽12上。按照此种方式设置，使减重网格25不仅能够起到减重的作用，而且还有利于将减重槽12内的3D打印粉末清除。
实施例四
如图4所示，本实施例提供另外一种光学金属镜，本实施例提供的光学金属镜与实施例二的区别之处在于，支撑部2的具体结构不同。
具体地，接口区21呈环形，多根连接筋22沿接口区21的周向呈辐射状排列。进一步地，多个固定孔211沿接口区21的周向均匀分布。具体地，在本实施例中，固定孔211的数量为六个。可选地，接口区21围绕支撑环24设置，即支撑环24套设在环形的接口区21内。
进一步地，连接筋22的一端直接与金属基板1连接，另一端搭设在连接柱23的顶部，以形成镂空结构100。具体地，连接筋22采用仿鸟爪形。进一步地，支撑部2还包括过渡区，过渡区位于接口区21与多根连接筋22之间。
实施例五
本实施例提供另外一种光学金属镜，本实施例提供的光学金属镜与实施例四的区别之处在于，在实施例四提供的光学金属镜的基础上增设了减重槽12和/或减重网格25。
可选地，金属基板1的第一侧设置有减重槽12。
可选地，支撑部2还包括减重网格25，金属基板1的第一侧面上设置有凹槽，减重网格25铺设在凹槽中。可选地，在本实施例中，为了保证连接强度，在打印减重网格25时避开了连接柱23与金属基板1的连接处、连接筋22与金属基板1的连接处以及过渡区与金属基板1的连接处。
当金属基板1的第一侧设置有减重槽12时，可以使减重网格25盖设在减重槽12上。按照此种方式设置，使减重网格25不仅能够起到减重的作用，而且还有利于将减重槽12内的3D打印粉末清除。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (15)

1.一种光学金属镜的制作方法，其特征在于，包括：
S1.利用3D打印方法在金属基板(1)的第一侧面上打印支撑部(2)，并使所述支撑部(2)与所述金属基板(1)之间形成镂空结构(100)；
S2.对所述金属基板(1)的第二侧面进行加工以形成镜面(11)。
2.根据权利要求1所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括：
S01.在所述金属基板(1)的第一侧面上挖设减重槽(12)；
S02.在所述减重槽(12)内填满3D打印粉末，以使所述金属基板(1)的第一侧面为平面。
3.根据权利要求2所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S1与步骤S2之间还包括：
S03.将所述减重槽(12)内的所述3D打印粉末清除。
4.根据权利要求2所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S01之前，还包括：
在所述金属基板(1)上设计初始减重槽，并对所述初始减重槽进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在所述金属基板(1)的第一侧面上挖设所述减重槽(12)。
5.根据权利要求2所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S1之前，还包括：
在所述金属基板(1)的第一侧面上设计初始支撑部，并对所述初始支撑部进行拓扑优化设计，根据拓扑优化设计的最终结果在所述金属基板(1)的第一侧面上打印所述支撑部(2)。
6.根据权利要求1所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S1中，所述支撑部(2)的首层打印层和/或靠近首层的打印层，通过加大激光功率、放慢烧结速度和/或多次重复烧结的方式进行烧结。
7.根据权利要求1所述的光学金属镜的制作方法，其特征在于，在步骤S2中，利用线切割或车削的方法对所述金属基板(1)的第二侧面进行加工以形成所述镜面(11)，并使所述镜面(11)呈凹弧面。
8.一种光学金属镜，其特征在于，包括：
金属基板(1)，其第一侧打印有支撑部(2)，且所述支撑部(2)与所述金属基板(1)之间设置有镂空结构(100)，所述金属基板(1)的第二侧设置有镜面(11)。
9.根据权利要求8所述的光学金属镜，其特征在于，所述支撑部(2)包括接口区(21)、连接筋(22)和连接柱(23)，所述接口区(21)内设置有固定孔(211)，所述固定孔(211)用于安装固定所述金属基板(1)，所述连接筋(22)通过所述连接柱(23)悬空架设在所述金属基板(1)上以形成所述镂空结构(100)。
10.根据权利要求9所述的光学金属镜，其特征在于，所述接口区(21)内设置有防变形槽(212)，所述防变形槽(212)位于所述固定孔(211)的周侧。
11.根据权利要求9所述的光学金属镜，其特征在于，所述接口区(21)与所述连接筋(22)交替连接形成封闭的环形。
12.根据权利要求11所述的光学金属镜，其特征在于，所述支撑部(2)还包括支撑环(24)，所述接口区(21)和所述连接筋(22)围绕所述支撑环(24)设置，且所述接口区(21)与所述支撑环(24)连接。
13.根据权利要求9所述的光学金属镜，其特征在于，所述接口区(21)呈环形，多根所述连接筋(22)沿所述接口区(21)的周向呈辐射状排列。
14.根据权利要求13所述的光学金属镜，其特征在于，所述连接筋(22)的一端直接与所述金属基板(1)连接，另一端搭设在所述连接柱(23)的顶部。
15.根据权利要求9-14任一项所述的光学金属镜，其特征在于，所述金属基板(1)的第一侧设置有减重槽(12)。
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