CN112904466A - 利用3d打印技术制备碳纤维反射镜的方法 - Google Patents

Abstract

利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，属于光学元件制备技术领域。解决了现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜、非球面镜及具有复杂轻量化结构的反射镜的制备的问题。本发明的方法，先制备反射镜面板模具，然后制备反射镜面板、反射镜轻量化结构和反射镜基板，然后将反射镜面板的碳纤维浸布面粘接在反射镜轻量化结构的上表面上，将反射镜基板粘接在反射镜轻量化结构的下表面，修边，得到反射镜镜坯；再在反射镜镜坯的树脂层的上表面制备金属层；最后对金属层抛光或车削，完成碳纤维反射镜的制备。该方法减少了加工时间，降低了成本，提高了加工精度，适用于大口径球面、非球面及复杂轻量化结构反射镜的加工。

Description

利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法

技术领域

本发明属于光学元件制备技术领域，具体涉及一种利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法。

背景技术

碳纤维反射镜具有密度低、热性能优良、高比强度和高比刚度等优点，相比于金属反射镜及玻璃反射镜等，更能满足光学反射镜轻量化的要求，所以，近年来，在光学遥感领域应用尤其广泛。

随着科技的发展，对空间遥感器的分辨率需求越来越高，而分辨率的提升，在一定程度上取决于光学成像系统口径的大小，口径越大，光学成像系统的分辨率越高；因此，大口径反射镜的研制尤为重要。

现有技术中，碳纤维反射镜的制备工艺是在碳纤维反射镜基体上粘接光学薄玻璃反射镜面。反射镜基体的制备工艺为：先根据待制备的碳纤维反射镜加工反射镜基体模具，然后在反射镜基体模具上涂覆脱模剂，得到脱模层，并在脱模层上铺设多层碳纤维织布，最后脱模，修研，得到反射镜基体。但是，这种制备工艺仅针对于碳纤维凸面反射镜和碳纤维平面反射镜简单易行，但凹面碳纤维反射镜(尤其是球面、非球面反射镜)，需要削磨光学玻璃制备凸面模具，凸面模具在制备时由于反射面是发散的，模具加工难度大，而且在表面精度检测时，对检测仪器要求较高，存在成本高等问题。中国专利106094079A公开了一种碳纤维凹面反射镜制备工艺，该制备工艺，先采用光学玻璃为材料，制备与待制备的碳纤维凹面反射镜镜面结构相同的凹面反射镜模具，然后在凹面反射镜模具上涂脱模剂并在脱模剂上铺多层碳纤维预浸布，将铺好的碳纤维预浸布固化成型，脱模，得到凸面碳纤维反射镜模具，再在凸面碳纤维反射镜模具上涂脱模剂并在脱模剂上铺多层碳纤维预浸布，将铺好的碳纤维预浸布固化成型，脱模，得到凹面碳纤维反射镜镜坯；最后对凹面碳纤维反射镜镜坯进行表面处理，得到碳纤维凹面反射镜；大大解决了凹面反射镜制备工艺成本高、模具加工难度大等问题，但是由于采用二次复制法，便多制备了一个模具，因此精度和加工时长都有待进一步提升。

而且，现有技术中，传统的反射镜轻量化形式已经不满足于发展需求，已有许多拓扑优化结果在保证刚度的前提下大大的提高了轻量化率，但轻量化的具体形式多用且复杂，如李叶文在《空间大尺寸长条反射镜轻量化及其柔性支撑技术研究》中的优化结果，轻量化结构的肋板厚度不一，Jiazhen Liu和Bo Jiang在论文《Topology optimizationdesign of a space mirror》利用变密度法对反射镜进行优化，结构如图2所示，大大的提升了轻量化率，但是反射镜模具加工难度也大大提升。未来碳纤维反射镜的轻量化形式会多样且复杂，需要新的加工形式。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中碳纤维反射镜的制备工艺不适合大口径球面镜及非球面镜的制备，且不适合具有复杂轻量化结构的反射镜的制备的问题，进一步提高碳纤维反射镜的面形精度，缩短碳纤维反射镜的加工时间，提供一种利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，该碳纤维反射镜包括反射镜面板、反射镜轻量化结构和反射镜基板，包括以下步骤：

步骤一、反射镜面板模具的制备

1a)采用3D打印技术，打印与待制备的反射镜面板结构相同的反射镜面板凹模具；

1b)对反射镜面板凹模具的凹表面和凸表面进行高精度加工；

1c)在反射镜面板凹模具的凹表面上涂脱模剂，得到第一脱模层；

1d)在第一脱模层上铺放多层碳纤维浸布，铺放完成后，加热固化，并静置释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模后，研磨、抛光，得到反射镜面板凸模具；

步骤二、反射镜面板、反射镜轻量化结构和反射镜基板的制备

2a)先采用3D打印技术打印反射镜基板模具，反射镜基板模具的内腔的结构与待制备的反射镜基板的结构相同，然后在反射镜基板模具的内壁上涂脱模剂，得到第二脱模层，最后利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基板模具的内腔；

2b)先采用3D打印技术打印反射镜轻量化结构模具，反射镜轻量化结构模具的内腔的结构与待制备的反射镜轻量化结构的结构相同，然后在反射镜轻量化结构模具的内壁上涂脱模剂，得到第三脱模层，最后利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基体模具内腔；

2c)在反射镜面板凸模具的凸表面上涂脱模剂，得到第四脱模层；在第四脱模层的表面均匀附着环氧树脂，固化后，静置释放应力，得到树脂层；在树脂层上铺多层碳纤维浸布，得到第四碳纤维铺层；

2d)将反射镜基板模具、反射镜轻量化结构模具、反射镜面板凹模具、第四碳纤维铺层、树脂层、第四脱模层、反射镜面板凸模具从下到上放置，在真空室温下，模压成型，固化后，静置释放应力，脱模，研磨，得到反射镜面板、反射镜轻量化结构和反射镜基板；

步骤三、粘接

将反射镜面板的碳纤维浸布面粘接在反射镜轻量化结构的上表面上，将反射镜基板粘接在反射镜轻量化结构的下表面，修边，得到反射镜镜坯；

步骤四、在反射镜镜坯的树脂层的上表面制备金属层；

步骤五、对金属层抛光或车削，完成碳纤维反射镜的制备。

进一步的，所述步骤1a)中，以钛合金为材料打印反射镜面板凹模具；所述步骤2a)中，以钛合金为材料打印反射镜基板模具；所述步骤2b)中，以钛合金为材料打印反射镜轻量化结构模具。

进一步的，所述步骤1b)中，高精度加工为加工至轮廓度在5μm以内。

进一步的，所述步骤1c)、步骤2a)和2b)中，第一脱模层、第二脱模层和第三脱模层通过喷涂脱膜剂形成。

进一步的，所述步骤2b)中，采用第一喷嘴和第二喷嘴同时打印反射镜轻量化结构模具，待反射镜轻量化结构模具打印完毕且冷却之后，采用第三喷嘴铺放反射镜轻量化结构模具的内腔。

进一步的，所述步骤2c)中，附着环氧树脂是在真空室温条件下，采用注射成型工艺在第四脱模层的表面均匀附着环氧树脂；树脂层的厚度为0.2-0.3mm；固化时间为72h。

进一步的，步骤2a)、步骤2b)和步骤2c)同时进行。

进一步的，所述步骤三中，采用的粘接材料为环氧树脂。

进一步的，所述步骤四中，金属层采用电镀工艺制备，厚度为20-25μm。

进一步的，每层碳纤维浸布的厚度不超过0.25μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，采用3D打印技术打印模具，减少了模具的数量，简化了模具的加工工艺，减少了加工的时间，降低了成本，提高了加工精度，适用于复杂结构的轻量化反射镜的加工。

本发明的利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，尤其适用于大口径球面和非球面反射镜加工，在空间遥感技术领域具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，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，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明具体实施方式中待制备的碳纤维反射镜的剖面图；

图2为现有技术中的拓扑优化的反射镜轻量化结构的结构示意图；

图3为本发明具体实施方式中步骤一的制备工艺图；

图4为本发明具体实施方式中步骤2a)的制备工艺图；

图5为本发明具体实施方式中步骤2b)的制备工艺图；

图6为本发明具体实施方式中步骤2d)的制备工艺图。

图中，1、反射镜面板，2、反射镜轻量化结构3、反射镜基体，4、反射镜面板凹模具，5、第一脱模层，6、反射镜面板凸模具，7、反射镜基板模具，8、第二脱膜层，9、第一喷嘴，10、第二喷嘴，11、第三喷嘴，12、第三脱模层，13、反射镜轻量化模具，14、第四碳纤维铺层，15、树脂层，16、第四脱模层。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

本发明的利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，如图1所示，待制备的碳纤维反射镜的结构，包括反射镜面板1、反射镜轻量化结构2和反射镜基板3，包括以下步骤：

步骤一、如图3所示，反射镜面板模具4的制备

1a)采用3D打印技术，以钛合金为材料，打印与待制备的反射镜面板1结构相同的反射镜面板凹模具4；

1b)对反射镜面板凹模具4的凹表面和凸表面进行高精度加工，至轮廓度在5μm以内；

1c)在反射镜面板凹模具4的凹表面上喷涂脱模剂，得到第一脱模层5；

1d)在第一脱模层5上铺放多层碳纤维浸布，铺放完成后，加热固化，并静置三至五天释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模后，研磨、抛光至满足反射镜的面形指标要求，得到反射镜面板凸模具6；

步骤二、反射镜面板1、反射镜轻量化结构2和反射镜基板3的制备

2a)如图4所示，先采用3D打印技术，以钛合金为材料，打印反射镜基板模具7，反射镜基板模具7的内腔的结构与待制备的反射镜基板3的结构相同，然后在反射镜基板模具7的内壁上涂脱模剂，得到第二脱模层8，最后利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基板模具7的内腔，形成与反射镜基板3结构相同的第二碳纤维铺层；

2b)如图5所示，先采用3D打印技术，以钛合金为材料，采用第一喷嘴9和第二喷嘴10同时打印反射镜轻量化结构模具13，反射镜轻量化结构模具13的内腔的结构与待制备的反射镜轻量化结构2的结构相同，然后在反射镜轻量化结构模具13的内壁上喷涂脱模剂，得到第三脱模层12，最后采用第三喷嘴11利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基体模具13内腔，形成与反射镜轻量化结构2结构相同的第三碳纤维铺层；

2c)在反射镜面板凸模具6的凸表面上喷涂脱模剂，得到第四脱模层16；在第四脱模层16的表面均匀附着环氧树脂，固化后，静置释放应力，得到树脂层15；在树脂层15上铺多层碳纤维浸布，得到第四碳纤维铺层14；

其中，附着环氧树脂是在真空室温条件下，采用注射成型工艺在第四脱模层16的表面均匀附着环氧树脂，树脂层15的厚度为0.2-0.3mm，固化时间为72h；

步骤2a)、步骤2b)和步骤2c)优选同时进行，缩短工艺时间；

2d)如图6所示，将反射镜基板模具7、反射镜轻量化结构模具13、反射镜面板凹模具4、第四碳纤维铺层14、树脂层15、第四脱模层16、反射镜面板凸模具6从下到上放置，在真空室温下，模压成型，固化后，静置释放应力，脱模，研磨，得到反射镜面板1、反射镜轻量化结构2和反射镜基板3；

步骤三、粘接

采用环氧树脂将反射镜面板1的碳纤维浸布面粘接在反射镜轻量化结构2的上表面上，采用环氧树脂将反射镜基板2粘接在反射镜轻量化结构2的下表面，修边，得到反射镜镜坯；

其中，环氧树脂的膨胀系数相应的与反射镜面板1和反射镜基板3的膨胀系数相同或接近；

步骤四、在反射镜镜坯的树脂层15的上表面采用电镀工艺制备金属层，金属层厚度优选为20-25μm；

步骤五、对金属层抛光或车削，车削优选为单点金刚石车削，完成碳纤维反射镜的制备。

本发明中，每层碳纤维浸布的厚度不超过0.25μm。碳纤维浸布和碳纤维丝的实际铺设厚度和密度依据待制备的碳纤维反射镜需求而定。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.利用3D打印技术制备碳纤维反射镜的方法，该碳纤维反射镜包括反射镜面板(1)、反射镜轻量化结构(2)和反射镜基板(3)，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、反射镜面板模具(4)的制备

1a)采用3D打印技术，打印与待制备的反射镜面板(1)结构相同的反射镜面板凹模具(4)；

1b)对反射镜面板凹模具(4)的凹表面和凸表面进行高精度加工；

1c)在反射镜面板凹模具(4)的凹表面上涂脱模剂，得到第一脱模层(5)；

1d)在第一脱模层(5)上铺放多层碳纤维浸布，铺放完成后，加热固化，并静置释放应力，得到第一碳纤维铺层，脱模后，研磨、抛光，得到反射镜面板凸模具(6)；

步骤二、反射镜面板(1)、反射镜轻量化结构(2)和反射镜基板(3)的制备

2a)先采用3D打印技术打印反射镜基板模具(7)，反射镜基板模具(7)的内腔的结构与待制备的反射镜基板(3)的结构相同，然后在反射镜基板模具(7)的内壁上涂脱模剂，得到第二脱模层(8)，最后利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基板模具(7)的内腔；

2b)先采用3D打印技术打印反射镜轻量化结构模具(13)，反射镜轻量化结构模具(13)的内腔的结构与待制备的反射镜轻量化结构(2)的结构相同，然后在反射镜轻量化结构模具(13)的内壁上涂脱模剂，得到第三脱模层(12)，最后利用碳纤维丝铺放技术填充反射镜基体模具(13)内腔；

2c)在反射镜面板凸模具(6)的凸表面上涂脱模剂，得到第四脱模层(16)；在第四脱模层(16)的表面均匀附着环氧树脂，固化后，静置释放应力，得到树脂层(15)；在树脂层(15)上铺多层碳纤维浸布，得到第四碳纤维铺层(14)；

2d)将反射镜基板模具(7)、反射镜轻量化结构模具(13)、反射镜面板凹模具(4)、第四碳纤维铺层(14)、树脂层(15)、第四脱模层(16)、反射镜面板凸模具(6)从下到上放置，在真空室温下，模压成型，固化后，静置释放应力，脱模，研磨，得到反射镜面板(1)、反射镜轻量化结构(2)和反射镜基板(3)；

步骤三、粘接

将反射镜面板(1)的碳纤维浸布面粘接在反射镜轻量化结构(2)的上表面上，将反射镜基板(2)粘接在反射镜轻量化结构(2)的下表面，修边，得到反射镜镜坯；

步骤四、在反射镜镜坯的树脂层(15)的上表面制备金属层；

步骤五、对金属层抛光或车削，完成碳纤维反射镜的制备。

2.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤1a)中，以钛合金为材料打印反射镜面板凹模具(4)；所述步骤2a)中，以钛合金为材料打印反射镜基板模具(7)；所述步骤2b)中，以钛合金为材料打印反射镜轻量化结构模具(13)。

3.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤1b)中，高精度加工为加工至轮廓度在5μm以内。

4.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤1c)、步骤2a)和2b)中，第一脱模层(5)、第二脱模层(9)和第三脱模层(13)通过喷涂脱膜剂形成。

5.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤2b)中，采用第一喷嘴(9)和第二喷嘴(10)同时打印反射镜轻量化结构模具(13)，待反射镜轻量化结构模具(13)打印完毕且冷却之后，采用第三喷嘴(11)铺放反射镜轻量化结构模具(13)的内腔。

6.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤2c)中，附着环氧树脂是在真空室温条件下，采用注射成型工艺在第四脱模层(16)的表面均匀附着环氧树脂；树脂层(15)的厚度为0.2-0.3mm；固化时间为72h。

7.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，步骤2a)、步骤2b)和步骤2c)同时进行。

8.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤三中，采用的粘接材料为环氧树脂。

9.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述步骤四中，金属层采用电镀工艺制备，厚度为20-25μm。

10.根据权利要求1所述的利用3D打印技术制备反射镜的方法，其特征在于，所述每层碳纤维浸布的厚度不超过0.25μm。

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