CN112782831A - 一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法，解决现有反射式系统中金属反射镜组件存在零件数目多、装调难度大、装调周期长、轻量化程度低和结构强度弱的问题。该反射镜包括采用相同材料由增材制造一体打印形成的反射镜支撑架、第一反射镜面、第二反射镜面、安装凸耳和背部安装凸台。反射镜支撑架的内部设置为镂空晶格结构，外部设置有金属加强层。该反射镜将三反或四反系统中的两块同侧反射镜及其支撑结构集成为一个零件，可大幅降低装调难度，缩短装调周期。同时，该金属反射镜采用增材制造打印，可突破传统机械加工的局限，进行轻量化及拓扑设计，实现低成本、快速制造。此外，该反射镜组经后处理工艺可用于红外谱段。

Description

一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法
技术领域
本发明涉及金属反射镜领域，具体涉及一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法，可用于大视场三反或四反光学系统中。
背景技术
目前，空间遥感光学系统正朝着大口径、长焦距、小体积和轻量化方向发展。反射式成像光学系统由于具有无色差、光学系统可折叠、便于轻量化等优势在空间遥感系统中得到广泛应用。反射系统主要包括两反射系统、三反射系统和四反射系统等，两反射系统结构简单，但其自由度少，能同时校正的像差数有限，故三反射系统和四反射系统应用广泛。
由于反射系统对光学元件的体积、重量、热控及稳定性要求越来越高，光学元件也由传统的球面镜向非球面镜、自由曲面镜发展。受限于传统机械及光学加工手段，采用玻璃材料的反射式系统存在零件数目多、装调难度大、装调周期长、柔性支撑设计难度大、自由曲面加工及检测难度大等问题。
传统锻造的金属反射镜受限于传统机械加工的手段，采用的轻量化方式主要是优化反射镜的背部形状和背部开设不同形状的轻量化孔实现。但是，此方式的轻量化程度有限，并且反射镜背部是开放式结构，镜体结构强度受到大幅影响。
发明内容
本发明的目的是解决现有反射式系统中金属反射镜组件存在零件数目多、装调难度大、装调周期长、轻量化程度低和结构强度弱的问题，提供一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法。该金属反射镜将三反或四反系统中的两块同侧反射镜及其支撑结构集成为一个零件，可大幅降低装调难度，缩短装调周期。同时，该金属反射镜采用增材制造打印，可突破传统机械加工的局限，进行轻量化及拓扑设计，实现低成本、快速制造。此外，该金属反射镜组经后处理工艺可用于红外谱段。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现；
一种基于增材制造高度集成的金属反射镜，包括反射镜支撑架、第一反射镜面、第二反射镜面、安装凸耳和背部安装凸台；所述反射镜支撑架的内部设置为镂空晶格结构，外部设置有金属加强层；所述镂空晶格结构和金属加强层采用相同材料由增材制造一体打印形成；所述反射镜支撑架的周向设置有多个漏粉孔，用于清除反射镜支撑架内未被融化的金属粉末；所述第一反射镜面设置在反射镜支撑架的一端，与反射镜支撑架采用相同材料由增材制造一体打印形成；所述第二反射镜面设置在反射镜支撑架的另一端，与反射镜支撑架采用相同材料由增材制造一体打印形成，且第二反射镜面与第一反射镜面位于反射镜支撑架的前侧面；所述安装凸耳设置在反射镜支撑架上，且与反射镜支撑架采用相同材料由增材制造一体打印形成；所述背部安装凸台设置在反射镜支撑架的后侧面，与反射镜支撑架采用相同材料由增材制造一体打印形成，所述背部安装凸台上设置有安装基准面，用于反射镜支撑架的安装基准。
进一步地，所述第一反射镜面设置为球面、非球面或自由曲面。
进一步地，所述第二反射镜面设置为球面、非球面或自由曲面。
进一步地，所述镂空晶格结构为蜂窝结构、异型网格结构、细胞仿生结构或常规多边形结构。
进一步地，所述金属反射镜采用铝硅合金或铝镁合金制成。
进一步地，所述背部安装凸台的安装基准面的平面度小于0.01mm。
进一步地，所述安装凸耳上设置有连接孔，用于反射镜与其他结构件的连接
进一步地，所述安装凸耳为四个，均布在反射镜支撑架的周向侧壁上。
进一步地，所述背部安装凸台为六个，呈二维线性排布在反射镜支撑架的后侧面。
同时，本发明还提供一种上述基于增材制造高度集成的金属反射镜的加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用增材制造3D打印获取一体反射镜镜坯；
步骤二、对反射镜镜坯进行内部金属粉末清洁；
步骤三、对反射镜镜坯进行热处理工艺，提高反射镜的稳定性，降低打印反射镜镜坯的孔隙率，提高反射镜镜坯的致密性；
步骤四、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，检测打印缺陷；
步骤五、对安装凸耳和背部安装凸台进行粗车；
步骤六、对第一反射镜面、第二反射镜面同时进行金刚石车削，并进行面形及局部表面粗糙度检测；
步骤七、分别对第一反射镜面、第二反射镜面进行磁流变抛光工艺，并进行面形及局部粗糙度测量，使得其满足红外谱段的应用要求，面形精度RMS值优于1/10波长、表面粗糙度优于8nm
步骤八、对安装凸耳和背部安装凸台进行精车，使得安装基准面满足安装要求。
与现有技术相比，本发明金属反射镜组件具有以下技术效果：
1.本发明金属反射镜将三反或四反系统中的两块同侧反射镜及其支撑结构集成为一个零件，可省去传统光学玻璃入框装调、粘接胶的使用，避免光机基准转换，大幅减少光学系统零件数目，降低装调难度，缩短装配周期。
2.本发明金属反射镜的光学反射镜面与支撑结构采用同种材料一体打印，可避免镜体与镜框热膨胀系数不匹配的问题，降低光学载荷热控难度及要求。
3.相比于传统机械加工手段，本发明金属反射镜采用基于增材制造技术及后处理工艺进行研制，具有成本低，加工周期短、可实现复杂光学镜面(如：自由曲面)的快速成型。
4.本发明金属反射镜可克服传统机械加工的局限，对金属反射镜内部进行复杂晶格结构的拓扑优化设计，获取高轻量化设计与高结构强度的最优解。
附图说明
图1为本发明基于增材制造高度集成的金属反射镜的结构示意图；
图2为本发明基于增材制造高度集成的金属反射镜背部结构示意图；
图3为本发明金属反射镜内部减重晶格结构示意图。
附图说明：1-第一反射镜面，2-第二反射镜面，3-安装凸耳，4-漏粉孔，5-反射镜支撑架，6-背部安装凸台，7-镂空晶格结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种基于增材制造高度集成的金属反射镜及其加工方法，将三反或四反系统中的两块同侧反射镜及其支撑结构集成为一个零件，可大幅降低装调难度，缩短装调周期。同时，该金属反射镜通过增材制造打印制作，可突破传统机械加工的局限进行轻量化及拓扑设计，实现低成本、快速制造。此外，金属反射镜镜坯经后处理工艺可用于红外谱段。
如图1至图3所示，本发明基于增材制造高度集成的金属反射镜包括反射镜支撑架5、第一反射镜面1、第二反射镜面2、安装凸耳3和背部安装凸台6；反射镜支撑架5的内部设置为镂空晶格结构7，外部设置有金属加强层；镂空晶格结构7和金属加强层采用相同材料由增材制造一体打印形成；第一反射镜面1设置在反射镜支撑架5的一端，与反射镜支撑架5采用相同材料由增材制造一体打印形成；第二反射镜面2设置在反射镜支撑架5的另一端，与反射镜支撑架5采用相同材料由增材制造一体打印形成，且第二反射镜面2与第一反射镜面1位于反射镜支撑架5的前侧面。为使得本发明金属反射镜具有轻量化的要求，本发明金属反射镜可采用铝硅合金或铝镁合金等材料制成。
图2和图3所示，本发明反射镜支撑架5内部采用镂空晶格结构7，镂空晶格结构7可根据设计需求打印为蜂窝结构、异型网格结构、细胞仿生结构、常规多边形结构等等，其壁厚、内切圆尺寸、疏密程度均可根据有限元手段进行仿真迭代优化。镂空晶格结构7的所有外表面全部打印为2mm厚的全封闭金属材料，形成金属加强层，从而提高整个反射镜的结构刚度。同时，反射镜支撑架5的周向设置有多个漏粉孔4，用来清洁反射镜内部未被融化的金属粉末，以免在光学系统中出现多余物，影响系统成像。
传统反射镜镜体采用的轻量化方式主要是优化反射镜的背部形状和背部开设不同形状的轻量化孔实现，传统的反射镜支撑架采用的轻量化方式是开不同形状得轻量化孔，此种方式轻量化有限。本发明提出的基于增材制造的金属反射镜体采用内部镂空晶格结构7，可进一步提高轻量化程度，并在反射镜面的进行疏密程度的划分，补充反射镜的面形精度。通过在反射镜支撑架5设置内部晶格结构可进一步提高系统的轻量化程度和结构强度。
本发明第一反射镜面1可根据三反或四反光学系统设计为球面、非球面或者自由曲面，由增材制造设备打印为镜坯，镜坯打印尺寸公差通常为±0.1mm。第二反射镜面2可根据三反或四反光学系统设计为球面、非球面或者自由曲面，由增材制造设备打印为镜坯，镜坯打印尺寸公差通常为±0.1mm。本发明安装凸耳3设置在反射镜支撑架5上，且与反射镜支撑架5采用相同材料由增材制造一体打印形成，安装凸耳3上设置有螺纹孔，用于反射镜与其他结构件的安装；背部安装凸台6设置在反射镜支撑架5的后侧面，与反射镜支撑架5采用相同材料由增材制造一体打印形成，背部安装凸台6作为反射镜的安装基准面。
在本发明实施例中，安装凸耳3为四个，均布在反射镜支撑架5的周向侧壁上，增材打印后经金刚石车削工序，保证安装凸耳3的0.01mm的平面度安装要求，通过凸耳将反射镜与其他结构件连接。背部安装凸台6为六个，呈二维线性排布在反射镜支撑架5的背部，经金刚石车削后可实现0.01mm的平面度，作为反射镜的安装基准面。
本发明金属反射镜采用铝硅合金或铝镁合金由增材制造设备一体打印为一个零件，反射镜支撑架5镜用于连接第一反射镜面1与第二反射镜面2，形成一个零件，其外轮廓及尺寸可根据反射镜面的尺寸进行初步设计，再结合两个反射镜面的面形精度及力热要求，通过多目标优化手段进行迭代优化。
直接打印的镜坯因面形精度低和表面粗糙度差，难以满足红外谱段的应用要求，因此需要反射镜进行后处理工艺，以提高其面形精度和表面粗糙度。此反射镜用于红外谱段的后处理加工工艺如下：
步骤一、利用增材制造3D打印，获取一体反射镜镜坯；
步骤二、对反射镜镜坯进行内部金属粉末清洁；
步骤三、对反射镜镜坯进行热处理工艺，提高反射镜的稳定性；
步骤四、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，检测打印缺陷；
步骤五、通过缺陷检测后，对安装凸耳3和背部安装凸台6进行初步粗车；
步骤六、分别对第一反射镜面1、第二反射镜面2同时进行金刚石车削，并进行面形及局部表面粗糙度检测；
步骤七、分别对第一反射镜面1、第二反射镜面2进行磁流变抛光处理，并进行面形及局部粗糙度测量，获取面形精度RMS值优于1/10波长及表面粗糙度小于8nm的反射镜面；
步骤八、对安装凸耳3和背部安装凸台6进行精车，获取高精度基准面，使得安装基准面满足安装要求。

Claims (10)

1.一种基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：包括反射镜支撑架(5)、第一反射镜面(1)、第二反射镜面(2)、安装凸耳(3)和背部安装凸台(6)；
所述反射镜支撑架(5)的内部设置为镂空晶格结构(7)，外部设置有金属加强层；所述镂空晶格结构(7)和金属加强层采用相同材料由增材制造一体打印形成；
所述反射镜支撑架(5)的周向设置有多个漏粉孔(4)，用于清除反射镜支撑架(5)内未被融化的金属粉末；
所述第一反射镜面(1)设置在反射镜支撑架(5)的一端，与反射镜支撑架(5)采用相同材料由增材制造一体打印形成；
所述第二反射镜面(2)设置在反射镜支撑架(5)的另一端，与反射镜支撑架(5)采用相同材料由增材制造一体打印形成，且第二反射镜面(2)和第一反射镜面(1)位于反射镜支撑架(5)的前侧面；
所述安装凸耳(3)设置在反射镜支撑架(5)上，且与反射镜支撑架(5)采用相同材料由增材制造一体打印形成；
所述背部安装凸台(6)设置在反射镜支撑架(5)的后侧面，与反射镜支撑架(5)采用相同材料由增材制造一体打印形成，所述背部安装凸台(6)上设置有安装基准面，用于反射镜支撑架(5)的安装基准。
2.根据权利要求1所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述第一反射镜面(1)设置为球面、非球面或自由曲面。
3.根据权利要求2所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述第二反射镜面(2)设置为球面、非球面或自由曲面。
4.根据权利要求1或2或3所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述镂空晶格结构(7)为蜂窝结构、异型网格结构、细胞仿生结构或常规多边形结构。
5.根据权利要求4所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述金属反射镜采用铝硅合金或铝镁合金制成。
6.根据权利要求5所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述背部安装凸台(6)的安装基准面的平面度小于0.01mm。
7.根据权利要求6所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述安装凸耳(3)上设置有连接孔，用于反射镜与其他结构件的连接。
8.根据权利要求7所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述安装凸耳(3)为四个，均布在反射镜支撑架(5)的周向侧壁上。
9.根据权利要求8所述的基于增材制造高度集成的金属反射镜，其特征在于：所述背部安装凸台(6)为六个，呈二维线性排布在反射镜支撑架的后侧面。
10.一种权利要求1至9任一所述基于增材制造高度集成的金属反射镜的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、利用增材制造3D打印获取一体反射镜镜坯；
步骤二、对反射镜镜坯进行内部金属粉末清洁；
步骤三、对反射镜镜坯进行热处理工艺，提高反射镜的稳定性，降低打印反射镜镜坯的孔隙率，提高反射镜镜坯的致密性；
步骤四、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，检测打印缺陷；
步骤五、对安装凸耳和背部安装凸台进行粗车；
步骤六、对第一反射镜面、第二反射镜面同时进行金刚石车削，并进行面形及局部表面粗糙度检测；
步骤七、分别对第一反射镜面、第二反射镜面进行磁流变抛光工艺，并进行面形及局部粗糙度测量，使得其满足红外谱段的应用要求，面形精度RMS值优于1/10波长、表面粗糙度优于8nm
步骤八、对安装凸耳和背部安装凸台进行精车，使得安装基准面满足安装要求。
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