CN112904467A - 具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法，解决现有反射镜存在轻量化程度低、结构强度弱、面形精度低、局部粗糙度差、难以满足可见谱段应用要求的问题。该金属反射镜包括支撑架体、仿生晶格结构、反射镜面和安装凸耳；仿生晶格结构为基于Voronoi图的细胞晶格结构，设置在支撑架体内，反射镜面设置在支撑架体和仿生晶格结构的一侧，安装凸耳设置在支撑架体的侧壁上，仿生晶格结构、反射镜面和安装凸耳与支撑架体采用相同材料由增材制造一体打印形成。该金属反射镜将沃罗诺伊细胞结构作为金属反射镜的内部晶格结构拓扑类型，以实现超高的轻量化程度和优异的力/热学性能，同时还具有低成本、节省材料、快速制造的优势。
Description
技术领域
本发明涉及金属反射镜领域，具体涉及一种适用于可见谱段、具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法。
背景技术
随着折返式光学载荷的技术指标不断提升，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。而星载光学载荷的重量直接决定发射成本，因此光学载荷系统的轻量化设计对航天事业具有重要意义。
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，此种方式的轻量化程度有限，且反射镜背部为开放式结构，镜体结构强度受到大幅影响。此外，传统金属镜经拓扑优化获取最优结构时，往往还需结合加工手段的可实现性进行折中考虑，难以实现最优结构的制造加工。
目前，增材制造技术得到了迅速发展，可实现多种金属材料的高精度增材打印，已在航空航天领域得到了应用。增材制造采用的是逐层堆积的方式，可实现传统机械加工难以实现的金属镜内部复杂晶格结构的打印制造，从而实现超高的轻量化。但是，增材制造技术在光学载荷中的应用研究较少，且存在内部晶格结构设计单一、制造精度不足和工艺路线不成熟等问题，使其难以应用在高面形精度要求、高局部粗糙度要求的可见谱段。
发明内容
本发明的目的是解决现有基于增材制造的金属反射镜存在轻量化程度低、结构强度弱、面形精度低、局部粗糙度差、难以满足可见谱段应用要求的问题，提供一种适用于可见谱段、具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法。本发明金属反射镜将自然界最常见的沃罗诺伊细胞结构(Voronoi Cells)作为金属反射镜的内部晶格结构拓扑类型，以实现超高的轻量化程度和优异的力/热学性能，同时还具有低成本、节省材料、快速制造的优势。在此基础上，提出基于增材制造技术的金属镜成型工艺，使其满足可见谱段的面形精度及粗糙度要求。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案来实现：
一种具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，该金属反射镜适用于可见谱段，其包括支撑架体、仿生晶格结构、反射镜面和安装凸耳；所述支撑架体为环形架体，通过增材打印制造；所述支撑架体的侧壁上设置有漏粉孔和清洗孔，所述漏粉孔和清洗孔用于清除支撑架体内未被融化的金属粉末；所述仿生晶格结构为基于Voronoi图的细胞晶格结构，其设置在支撑架体内，且与支撑架体采用相同材料由增材制造一体打印形成；所述反射镜面设置在支撑架体和仿生晶格结构的一侧，且与支撑架体采用相同材料由增材制造一体打印形成；所述安装凸耳设置在支撑架体的侧壁上，且与支撑架体采用相同材料由增材制造一体打印形成，所述安装凸耳上设置有安装基准面，用于其他结构件的安装基准。
进一步地，所述反射镜面设置为球面、非球面或自由曲面。
进一步地，所述支撑架体采用铝硅合金或铝镁合金材料制作。
进一步地，所述反射镜面的镜面面形RMS值为1/30波长，镜面面形PV值在120nm以内，局部粗糙度小于1nm。
进一步地，所述支撑架体的侧壁上设置有清洗凸台，所述清洗孔设置在清洗凸台上。
进一步地，所述清洗凸台为多个，均布在支撑架体的侧壁上。
进一步地，所述安装凸耳的安装基准面的平面度小于0.01mm。
进一步地，所述安装凸耳为三个，均布在支撑架体的侧壁上。
进一步地，所述支撑架体为圆环形架体或矩形架体。
同时，本发明还提供一种上述具有内部仿生晶格结构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打印反射镜镜坯，打印完成后，对反射镜镜坯进行粉末清洁；
步骤二、对反射镜镜坯进行热处理及老化试验，通过热等静压处理，提高反射镜镜坯稳定性，降低镜坯孔隙率；
步骤三、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，进行打印缺陷检测；
步骤四、对反射镜面进行第一次金刚石车削，车削后进行反射镜面的面形及局部表面粗糙度检测，确保反射镜镜面面形PV值达到800nm以内，局部粗糙度达到200nm内；
步骤五、对反射镜面进行表面改性工艺，化学镀NiP，镀层厚度为80um～100um；
步骤六、对反射镜面进行第二次金刚石车削，车削后，确保反射镜镜面局部粗糙度达到100nm内；
步骤七、对反射镜面进行多次磁流变抛光，确保镜面面形PV值达到120nm以内，局部粗糙度达到70nm内；
步骤八、对反射镜面进行局部抛光，获取优于1/30波长的高精度面形及局部粗糙度小于1nm的反射镜面；
步骤九、对安装凸耳的安装基准面进行金刚石车削，满足平面度小于0.01mm，获取高精度基准面。
本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明金属反射镜首次提出将沃罗诺伊细胞结构(Voronoi cells)作为增材制造金属反射镜的内部晶格结构仿生拓扑类型，可实现85％以上的超高轻量化程度和优异的力/热性能。
2.本发明金属反射镜的反射镜面与其安装结构采用同种材料全金属打印，可克服传统光学元件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.本发明金属反射镜的反射镜面与支撑结构一体打印，可省去传统光学元件入框装调的过程，避免光机基准转换，避免粘接胶的使用，大幅缩短装配难度及装配周期。此外，此类金属镜还具有更高的力学稳定性及固有频率。
4.本发明提出将增材制造的金属镜用于可见谱段的后处理加工工艺，可克服传统机加的金属反射镜因面形精度低及表面粗糙度差只能应用于红外谱段的问题。
5.本发明具有内部仿生晶格结构的金属反射镜基于增材制造成形，具有低成本、节省材料和快速制造的优势。
附图说明
图1为本发明金属反射镜去掉25％反射面后的示意图；
图2为本发明具有内部仿生晶格结构的金属反射镜的俯视图；
图3为本发明具有内部仿生晶格结构的金属反射镜的侧视图；
图4为本发明金属反射镜内部仿生晶格结构的结构示意图。
附图说明：1-反射镜面，2-漏粉孔，3-安装凸耳，4-清洗孔，5-仿生晶格结构，6-支撑架体6，7-清洗凸台。
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。
沃罗诺伊细胞结构(Voronoi Cells)是自然界中最常见随机结构，广泛存在于树叶叶脉、昆虫翅膀、植物的薄壁组织等中，因其优异的仿生结构和性能，已应用建筑行业。本发明提供一种具有内部仿生晶格结构的金属反射镜及其加工方法，该金属反射镜将沃罗诺伊细胞结构(Voronoi Cells)作为金属反射镜的内部晶格结构拓扑类型，以实现超高的轻量化程度和优异的力/热学性能，同时该金属反射镜还具有低成本、节省材料、快速制造的优势。同时，该金属反射镜采用增材制造方法制造满足可见谱段的面形精度及粗糙度要求。
如图1至图4所示，本发明具有内部仿生晶格结构的金属反射镜适用于可见谱段，其包括支撑架体6、仿生晶格结构5、反射镜面1和安装凸耳3；支撑架体6为环形架体，通过增材打印制造；支撑架体6的侧壁上设置有漏粉孔2和清洗孔4，漏粉孔2和清洗孔4用于清除支撑架体6内未被融化的金属粉末；仿生晶格结构5为基于Voronoi图的细胞晶格结构，其设置在支撑架体6内，且与支撑架体6采用相同材料由增材制造一体打印形成；反射镜面1设置在支撑架体6和仿生晶格结构5的一侧，且与支撑架体6采用相同材料由增材制造一体打印形成；安装凸耳3设置在支撑架体6的侧壁上，且与支撑架体6采用相同材料由增材制造一体打印形成，安装凸耳3上设置有安装基准面，用于其他结构件的安装基准。
本发明支撑架体6为圆环形架体或矩形架体，采用铝硅合金(AlSi40)或铝镁合金材料打印，支撑架体6和仿生晶格结构5、反射镜面1和安装凸耳3增材制造技术一体打印为一个零件。因整个金属反射镜采用金属粉末经激光选区熔化技术(SLM)增材打印，所以金属反射镜内部会存在部分未被融化的金属粉末。在打印结束后，需进行金属粉末去除，以免在光学系统中出现多余物，影响系统成像，故设置一周均布的漏粉孔2。同时，还可在支撑架体6上设置清洗孔4，通过内部注入有机溶剂或者气体辅助进行金属粉末的去除。
在本发明实施例中，本发明反射镜面1可根据光学系统设计要求设计为球面、非球面或者自由曲面，由增材制造技术打印为镜坯，增材制造设备的最高制造精度约为0.1mm。支撑架体6的侧壁上设置有清洗凸台7，清洗孔4设置在清洗凸台7上。清洗凸台7具体为三个，均布在支撑架体6的侧壁上。三个安装凸耳3以120°均匀布置在镜面圆周，增材打印后经金刚石车削工序，保证凸耳的0.01mm的平面度安装要求，作为此反射镜与其他光学元件安装的基准面。
如图4所示，本发明反射镜内部仿生晶格结构5是基于Voronoi图的细胞晶格结构，Voronoi图是基于一组随机点将空间进行区域分割的算法，而每一区域仅包含唯一的特定点，并且该区域内任意位置到该特定点的距离比到其它的特定点都要更近，在自然界中广泛存在于树叶叶脉、昆虫翅膀、植物的薄壁组织等中。仿生晶格结构的生成过程如下：首先在镜面区域内随机选取多个离散点，离散点可根据不同的算法生成，如：泊松盘采样、劳埃德算法等；随后，经Voronoi图算法生成Voronoi细胞晶格结构；最后，结合反射镜的尺寸、面形及力学要求等进行仿真优化迭代，得到最终仿生拓扑晶格结构，主要优化的参数为随机点的生成算法及数目、细胞结构的壁厚、不同区域的疏密程度等。
与目前常见的蜂窝晶格结构对比，设置voronoi图作为金属反射镜的内部晶格结构可实现仿生设计、提高金属镜轻量化程度和力热稳定性。此外，还可通过不同区域voronoi图的疏密程度对金属反射镜的面形精度进行补偿和提高，如：在螺钉安装的位置的附近，提高voronoi网格的密集程度，降低因螺钉预紧力导致金属反射镜面1形下降程度。传统机械加工难以进行内部复杂voronoi晶格结构的加工，采用增材制造的方式可实现金属镜内部晶格结构的低成本、快速制造。
同时，本发明还提供一种上述具有内部仿生晶格结构的金属反射镜的加工方法，该方法加工的金属反射镜具有更高的面形精度和粗糙度要求，可用于可见谱段，该方法具体包括以下步骤，
步骤一、利用增材制造3D打印金属反射镜镜坯，精度±0.1mm，打印完成后，对反射镜镜坯进行粉末清洁；
步骤二、对反射镜镜坯进行热处理及老化试验，通过热等静压处理，提高稳定性，降低镜坯孔隙率；
步骤三、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，进行打印缺陷检测，检测内部是否存在断点、气孔、材料坍塌等问题；
步骤四、反射镜镜坯通过缺陷检测后，对反射镜面1进行第一次金刚石车削，车削后进行反射镜面1的面形及局部表面粗糙度检测，待镜面面形PV值达到800nm以内，局部粗糙度达到200nm内，开展下一工序；
步骤五、对反射镜面1进行表面改性工艺，化学镀NiP层；因镀层NiP与金属镜坯热膨胀系数不同，因此当温度变化时，镀层与镜坯会发生不同程度的变形，即双金属弯曲现象，影响反射镜面1形，综合衡量后续工序的加工量及双金属弯曲现场的影响程度，需控制镀层厚度为80um-100um；
步骤六、改性后，对反射镜面1镀层进行第二次金刚石车削，车削后，进行面形及局部表面粗糙度检测，待镜面局部粗糙度达到100nm内，开展下一工序；
步骤七、对反射镜面1进行磁流变抛光，抛光后，进行面形及粗糙度测量，待镜面面形PV值达到120nm以内，局部粗糙度达到70nm内，开展下一工序；
步骤八、对反射镜面1进行传统的化学机械手段局部抛光，改善局部面形及粗糙度，获取1/30波长的高精度面形及局部粗糙度小于1nm的反射镜面；
步骤九、对安装基准面进行金刚石车削，满足平面度小于0.01mm，获取高精度基准面；
步骤十、与其他组件进行集成。
Claims (10)
1.一种具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：适用于可见谱段，包括支撑架体(6)、仿生晶格结构(5)、反射镜面(1)和安装凸耳(3)；
所述支撑架体(6)为环形架体，通过增材打印制造；
所述支撑架体(6)的侧壁上设置有漏粉孔(2)和清洗孔(4)，所述漏粉孔(2)和清洗孔(4)用于清除支撑架体(6)内未被融化的金属粉末；
所述仿生晶格结构(5)为基于Voronoi图的细胞晶格结构，其设置在支撑架体(6)内，且与支撑架体(6)采用相同材料由增材制造一体打印形成；
所述反射镜面(1)设置在支撑架体(6)和仿生晶格结构(5)的一侧，且与支撑架体(6)采用相同材料由增材制造一体打印形成；
所述安装凸耳(3)设置在支撑架体(6)的侧壁上，且与支撑架体(6)采用相同材料由增材制造一体打印形成，所述安装凸耳(3)上设置有安装基准面，用于其他结构件的安装基准。
2.根据权利要求1所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述反射镜面(1)设置为球面、非球面或自由曲面。
3.根据权利要求2所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述支撑架体(6)采用铝硅合金或铝镁合金材料制作。
4.根据权利要求1或2或3所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述反射镜面(1)的镜面面形RMS值为1/30波长，镜面面形PV值在120nm以内，局部粗糙度小于1nm。
5.根据权利要求4所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述支撑架体(6)的侧壁上设置有清洗凸台(7)，所述清洗孔(4)设置在清洗凸台(7)上。
6.根据权利要求5所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述清洗凸台(7)为多个，均布在支撑架体(6)的侧壁上。
7.根据权利要求6所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述安装凸耳(3)安装基准面的平面度小于0.01mm。
8.根据权利要求7所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述安装凸耳(3)为三个，均布在支撑架体(6)的侧壁上。
9.根据权利要求8所述的具有内部仿生晶格结构的金属反射镜，其特征在于：所述支撑架体(6)为圆环形架体或矩形架体。
10.一种权利要求1至9任一所述具有内部仿生晶格结构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打印反射镜镜坯，打印完成后，对反射镜镜坯进行粉末清洁；
步骤二、对反射镜镜坯进行热处理及老化试验，通过热等静压处理，提高反射镜镜坯稳定性，降低镜坯孔隙率；
步骤三、对反射镜镜坯进行X射线断层扫描，进行打印缺陷检测；
步骤四、对反射镜面进行第一次金刚石车削，车削后进行反射镜面的面形及局部表面粗糙度检测，确保反射镜镜面面形PV值达到800nm以内，局部粗糙度达到200nm内；
步骤五、对反射镜面进行表面改性工艺，化学镀NiP，镀层厚度为80um～100um；
步骤六、对反射镜面进行第二次金刚石车削，车削后，确保反射镜镜面局部粗糙度达到100nm内；
步骤七、对反射镜面进行多次磁流变抛光，确保镜面面形PV值达到120nm以内，局部粗糙度达到70nm内；
步骤八、对反射镜面进行局部抛光，获取优于1/30波长的高精度面形及局部粗糙度小于1nm的反射镜面；
步骤九、对安装凸耳的安装基准面进行金刚石车削，满足平面度小于0.01mm，获取高精度基准面。
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2021
- 2021-01-29 CN CN202110125427.4A patent/CN112904467A/zh active Pending
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