CN114364508A - 高刚度重量比反射性光学器件的3d打印 - Google Patents

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Abstract

一种3D打印的反射性光学器件，通过采用空心壳体设计提供非常高的比刚度，具有封闭面背面，填充有高刚度的内部体积空间填充开孔晶格结构。为了在后处理操作期间减少或消除工具，还包括高刚度、结构集成的牺牲性结构。

Description

高刚度重量比反射性光学器件的3D打印
技术领域
本发明涉及高刚度重量比反射性光学器件，更具体地，涉及反射镜腔体内的晶格结构的3D打印从而减少或消除后处理操作期间的工具。
背景技术
许多光学应用需要反射镜，从而在操作期间发生的高惯性负载情况下保持出色的图像质量。已知的光学结构由具有加工的窝伏尔轻量化特征的铍合金反射镜组成，因为该材料具有高比刚度(即刚度重量比)的独特特性。然而，它们的制造通常需要昂贵的工具和设施要求，通常与光学器件的金刚石加工和有毒材料的处理相关。因此，高精度铍合金部件的成本、可用性和典型交货时间也是使用这些高性能材料的缺点。
需要一种装置、系统和方法，提供与已知铍合金反射镜相比具有相当的刚度-重量比性能并且成本更低的反射性光学器件。
发明内容
一个实施例提供了一种3D打印的高刚度重量比反射性光学器件，其包括位于外部反射镜壳体内的内部反射镜腔体，该外部反射镜壳体包括封闭面背面；内部反射镜腔体包括3维空间填充体积晶格结构；和多个3D打印的牺牲性集成结构，被打印在封闭面背面上，其中3D打印牺牲性集成结构具有两个或更多个腿，其中每个腿包括单独的易碎段，由此每个牺牲性集成结构的顶部平坦表面由所有腿充分支撑以抵抗加工应力，并且每个腿能单独分离，由此每个牺牲性集成结构在每个腿易碎段单独切断时都是能移除的。在实施例中，3D打印的牺牲性集成结构是三脚架，三脚架包括具有不同长度的腿和顶部平坦表面。其它实施例包括AlSi10Mg合金的粉末金属材料标注(callout)。在随后的实施例中，晶格包括打印的晶格拓扑结构，其选自三角形混合体、截头八面体、螺旋体、立方桁架、八角桁架、截头四面体和阿基米德固体。对于另外的实施例，晶格包括开孔四边形的打印的晶格拓扑结构。在另一个实施例中，晶格包括约0.40英寸乘约0.40英寸的四方单位单元。对于以下实施例，晶格包括约0.040英寸直径的支柱。在随后的实施例中，反射镜具有大于或等于约64均方根(RMS)的表面质量。在另外的实施例中，刚度重量比包括约150E/ρ的比刚度和约300GPa的杨氏弹性模量。
另一个实施例提供了一种用于制造3D打印的高刚度重量比反射性光学器件的方法，包括：定义反射性光学器件的表面的反射性光学规格；研究用于支持反射性光学器件的3维空间填充体积晶格结构的晶格；根据晶格研究的结果创建组件模型；根据组件模型来打印反射镜组件，该组件包括打印在反射镜组件的封闭面背面上的多个3D打印牺牲性集成支撑结构，其中3D打印牺牲性集成结构具有两个或更多个腿；对打印的反射镜组件进行热处理；在反射性光学器件的表面加工反射镜表面；移除异物碎片，包括移除多个牺牲性集成支撑结构。在包括的实施例中，晶格研究包括通过晶格分析确定重量和刚度的步骤。在更进一步的实施例中，进一步包括在研究晶格与创建组件的步骤之间创建晶格反射镜模型和评估组件模型的可打印性的步骤。相关实施例还包括通过抽头测试验证组件模型的有限元分析(FEA)并在研究晶格与创建组件的步骤之间创建增材制造(AM)反射镜图的步骤。对于另外的实施例，创建组件包括将反射镜腔体定位在外反射镜壳体中的步骤，在外反射镜壳体与反射镜腔体之间具有0.030英寸的过盈配合。在随后的实施例中，打印反射镜组件的步骤包括AlSi10Mg合金的粉末金属材料标注。对于更进一步的实施例，移除多个牺牲性集成支撑结构的步骤包括切断每个牺牲性集成支撑结构的每个腿的单独易碎段，由此移除每个牺牲性集成支撑结构。对于更多实施例，进行热处理的步骤包括热等静压(HIP)的步骤；和固溶热处理(Solution Heat Treatment)。在继续的实施例中，加工反射镜的步骤包括粗加工、应力消除、最终加工、固溶热处理和精加工的步骤。对于另外的实施例，加工反射镜的步骤包括大于或等于约64均方根(RMS)的表面质量。
又一个实施例提供了一种3D打印的高刚度重量比反射性光学器件，包括：通过定义反射性光学器件表面的反射性光学规格来提供反射镜；研究用于支持反射性光学器件的3维空间填充体积晶格结构的晶格；根据晶格研究的结果来创建组件模型；根据组件模型来打印反射镜组件，该组件包括打印在反射镜组件的封闭面背面上的多个3D打印牺牲性集成支撑结构，其中3D打印的牺牲性集成结构具有两个或更多个腿；对打印的反射镜组件进行热处理；在反射镜表面上加工反射镜表面；并且移除异物碎片，包括移除多个牺牲性集成支撑结构，移除多个牺牲性集成支撑结构的步骤包括切断每个牺牲性集成支撑结构的每个腿的单独易碎段；其中反射性光学器件的表面尺寸约为9.75乘5.8英寸，表面质量大于或等于约64均方根(RMS)。
附图说明
图1图示了根据实施例配置的反射性光学器件应用。
图2是用于制造根据实施例配置的反射性光学器件的通用方法。
图3描绘了根据实施例配置的反射性光学器件晶格结构。
图4是根据实施例配置的反射性光学器件后立体图。
图5是根据实施例配置的反射性光学器件前立体图。
图6是根据实施例配置的反射性光学器件后视比例图。
图7是根据实施例配置的反射性光学器件A-A横截面比例图。
图8是根据实施例配置的反射性光学器件侧视比例图。
图9是根据实施例配置的扫描反射镜前视图。
图10是根据实施例配置的扫描反射镜后视图。
图11是根据实施例配置的扫描反射镜侧视图。
图12是根据实施例配置的扫描反射镜端视图。
图13是根据实施例配置的反射性光学器件制造方法的流程图。
本实施例的这些和其它特征将通过阅读以下详细描述以及本文描述的附图来更好地理解。附图并非旨在按比例绘制。为清楚起见，并非每个组件都可以在每张图中标记。
具体实施方式
本文所述的特征和优点不是包罗万象的，特别是，许多附加的特征和优点对于本领域普通技术人员而言，鉴于附图、说明书和权利要求，将是显而易见的。此外，应该注意，在说明书中使用的语言主要是为了可读性和指导目的而选择的，而不是以任何方式限制本发明主题的范围。本发明可以有许多实施例。以下内容对本发明范围来说是说明性而非穷举性的。
图1图示了反射性光学应用100。在该实施例中，扫描反射镜反射性光学器件105是光探测和测距(LIDAR)系统110的组件。LIDAR系统110例如用于地雷115的空中探测。用于此类任务的扫描反射镜需要使用具有高刚度重量比的高精度高反射性表面来保持图像质量。快速扫描运动会引起高惯性负载，如果反射镜不够坚硬，则会导致失真。在LIDAR系统的操作中，反射镜在2轴或更多轴扫描组件上运行并反射激光能量从而照亮物体或表面，然后测量和处理反射。最近，LIDAR系统也被用于自动驾驶汽车。在一些高性能应用中，扫描反射镜由铍或铍合金制成，因为它具有产生坚硬表面的特性。
在保持其整体结构性能和系统要求的同时，用传统的低性能材料(铝合金)替代特殊的(铍合金)高性能反射镜材料是非常困难的。根据一个示例，高效的结构设计是通过增材制造(AM)而制造的，在本文中也称为3D打印，其包括许多工艺，其中包括直接金属激光烧结(DMLS)。在实施例中，牺牲性三脚架直接“生长”到反射镜的后表面中以用作金刚石加工过程的临时固定装置。这些被3D打印在结构上，并在金刚石车削工艺后移除。这种技术消除了对通常与光学金刚石加工相关的昂贵工具的需求。此外，特定的热处理方法获得了生产光学质量反射镜所需的精细晶粒结构和尺寸稳定性。
增材制造允许使用传统加工不可能实现的内部晶格结构和空核结构。实施例使用零件背面的3D打印的特征(三脚架)来辅助最终加工。三脚架为零件提供内置支撑，零件用于将反射镜金刚石车削至最终要求的规格。
如上所述，铍合金反射镜是极其昂贵的加工结构。相比之下，反射镜腔体内的晶格结构的3D打印被设计成具有与传统铍合金设计相同的近似刚度重量比(实施例中比刚度约为150E/ρ，杨氏弹性模量约为300GPa)大大降低了制造成本而不损害性能。在实施例中，晶格是开孔晶格。此外，生长在反射镜后面的三脚架允许金刚石车削。如果没有这些三脚架，将会产生大量的额外成本。该技术可用于使用增材制造零件的许多其它应用，但在光学反射镜制造方面尤其有效。
在一个示例中，可以通过进行一系列可打印性和结构模态测试评估来优化最终的晶格几何形状。本系统中的晶格样品部分是增材制造并定性评估的，例如翘曲、未连接的晶格构件、几何异常、模态响应和尺寸精度。
在实施例中，晶格支柱构件的直径影响模型的整体可打印性，因为固有频率对晶格支柱直径非常敏感。
实施例采用用于反射镜的四边形桁架打印晶格拓扑结构。许多选项也是可能的，例如三角形混合体、截头八面体、螺旋体、立方桁架、八角桁架、截头四面体和其它阿基米德固体。设计标准包括重量、刚度和强度。在实施例中，单位单元尺寸选择对于减小不受支持的水平区域的尺寸很重要。
图2是根据本技术的一个实施例的用于制造反射性光学器件200的通用方法。步骤包括为特定应用和设计标准定义反射性光学规格205。例如，尺寸、重量、刚度和反射率是用于规格的一些变量。考虑包括拓扑结构210的晶格研究以便设计最佳晶格几何形状。有各种模拟工具计算机辅助设计和有限元分析(CAD和FEA)，例如Creo、Netfabb和NX，它们有助于设计阶段并允许迭代以更好地定义晶格。此类工具使晶格分析能够评估重量和刚度参数。在一个示例中，为晶格拓扑结构创建了晶格有限元分析(FEA)，并以自由模态运行并比较了固有频率。参数包括尺寸(立方)、单元尺寸、支柱厚度、杨氏模量和密度。在实施例中，软件工具重要地包括以下各项：有机拓扑结构优化、STL文件修复、零件定向和支撑优化、多物理场AM过程模拟和构建故障预测。Netfabb包括这些。这些很重要，因为创建具有高刚度重量比的晶格几何形状必须是一种高效且可靠的过程，以实现快速的设计迭代。例如，将晶格支柱构件创建为单独的Creo零件文件并对几何图形进行阵列有几个缺点。更新或修改晶格拓扑结构几乎是不可能的，如果不重新设计就很难改变与实体特征的连接，迭代设计和优化的效率非常低。此外，由于元件数量和运行时间的原因，不可能使用3D元件对三角形混合结构、Bucky球、四边形和八角形桁架等结构进行建模。对于实施例，支柱构件被分析为1D FEA梁(beam)元件，减少了元件数量，使分析成为可能。
一旦晶格结构满足要求，具有内部晶格特征的反射镜模型被创建215。根据一个示例，两个部件被创建为晶格拓扑结构。一个部件是外反射镜壳体，另一部分是反射镜腔体。组合后，壳体和腔体就完成了，并且导出了设计构建，例如作为Netfabb的.stp。
一旦创建文件被导入构建环境，就可以构建固体反射镜腔体部分。生成所需的晶格单元，然后在反射镜腔体内进行图案化。一旦腔体被晶格化，晶格可以定位在反射镜壳体内并对齐。
步骤继续打印反射镜组件(反射镜腔体和带三脚架的反射镜壳体)220；进行热处理225；加工反射镜230；并且移除三脚架和异物碎片(FOD)235。根据一个实施例，反射性光学器件被施加涂层240。涂层有助于保持反射特性。
图3描绘了反射性光学器件晶格结构300。在实施例中，四边形晶格尺寸包括0.040英寸的支柱直径305；0.40英寸310乘0.40英寸315的单位单元尺寸。在其它实施例中，基于截头八面体几何形状的单位单元包括0.040”支柱尺寸和0.50”单位单元尺寸。这些尺寸为反射镜功能提供了所需的刚度特性。如所提到的，对于实施例，晶格是开孔晶格。
图4是反射性光学器件后视立体比例图：400。图示了三脚架405(仅一端)和构建方向410。所示三脚架是包括腿415和顶表面420的牺牲性结构。在实施例中，顶表面420是平坦的从而为加工提供所需的支撑，例如光学表面的金刚石车削。通过具有与顶表面的总尺寸相比具有更薄尺寸的两个或更多腿，例如通过简单的加工工具容易地移除结构。在实施例中，腿415包括易碎部分425从而能够移除。由于腿易碎部分425，牺牲性结构(三脚架)可以通过简单的手段手动移除，例如用钢丝钳。不需要专门的工具或加工来移除它们。为特定反射镜组件确定结构405的数量和位置，从而在光学精加工期间最小化部件中的偏转，这对于在前几次通过而不是多次通过中获得良好的表面质量至关重要。与只有十分之一表面积的反射镜相比，这会产生更好的表面形状和光洁度。在一个示例中，在背面的两侧部分上提供相同数量的结构，而在中间部分没有结构。在一个示例中，在任一侧部分有4-8个结构。
图5是反射性光学器件前视立体比例图：500。
图6是反射性光学器件后视比例图：600。实施例尺寸是总长度9.75英寸(B)和宽度5.81英寸(C)。
图7是图6的反射性光学A-A横截面比例图：700。内部体积充满晶格结构(未示出)。如所指出的，牺牲性结构405具有腿415，腿415具有不同长度的易碎部分425，使得结构405的顶表面420大致是平坦的。
图8是反射性光学器件侧视比例图：800。实施例尺寸包括1.32英寸(D)的前后厚度和1.58英寸(E)的面到三脚架表面距离。
图9是扫描反射镜实施例前视图：900。
图10是扫描反射镜实施例后视图：1000。
图11是扫描反射镜实施例侧视图：1100。
图12是扫描反射镜实施例端视图：1200。
图13是反射性光学器件制造方法实施例的流程图：1300。步骤包括定义反射性光学规格1305，其可以包括例如尺寸、重量、刚度和反射率，取决于具体应用和设计标准；晶格研究1310，包括拓扑结构，确定最佳晶格几何形状的重量和刚度。在晶格研究之后，创建晶格反射镜模型1315，具有内部晶格特征。实施例反射镜模型包括两个部件，外反射镜壳体和反射镜腔体。评估创建的反射镜模型的可打印性，包括构建方向、支撑结构位置和加工工序设置1320。在实施例中，接下来是通过抽头测试来验证FEA 1325。然后创建增材制造反射镜图1330。在实施例中，这之后通过将反射镜腔体定位在外反射镜壳体中来创建组件，在实施例中，外壳体与腔体之间有0.030英寸的过盈配合1335；打印具有AlSi10Mg合金粉末金属材料标注的反射镜组件(反射镜腔体和带三脚架的反射镜壳体)1340。3D打印的牺牲性集成(三脚架)结构打印被在封闭面背面。接下来进行热处理，包括应力消除、热等静压(HIP)和固溶热处理1345；加工反射镜包括粗加工、应力消除、最终加工、固溶热处理和精加工1350；异物碎片(FOD)清除1355；以及可选的涂层1360以保护反射镜的反射特性。0.030英寸的过盈配合很重要，因为它足以与外壳体建立牢固的晶格连接。在实施例中，步骤1335，FOD移除，包括切断每个牺牲性支撑结构的每个腿，从而在没有专门工具或加工的情况下移除它们。每个腿包括单独的易碎段，由此平坦表面被所有腿充分支撑以抵抗加工应力，并且每个腿是单独可分离的。这减少了所需的工具和夹具。如前所述，为特定的反射镜组件建立了牺牲性支撑结构，从而最大限度地减少光学精加工期间零件的偏转，这对于在前几次通过而不是多次通过中获得良好的表面质量至关重要。与只有十分之一表面积的反射镜相比，这会产生更好的表面形状和光洁度。一种测量方法，RMS，是轮廓高度偏离平均线的均方根平均值，记录在评估长度内(参见ASME B46.1)。在实施例中，RMS大于或等于约64RMS。
图中的流程图和框图说明了根据本发明的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系结构、功能和操作。就这一点而言，流程图或框图中的每个方框可以表示模块、段或指令的一部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或多个可执行指令。在一些替代实施方式中，方框中标注的功能可能不按图中标注的顺序出现。例如，连续显示的两个方框实际上可以基本上同时执行，或者这些方框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还应注意，框图和/或流程图说明的每个方框，以及框图和/或流程图说明中的方框的组合，可以由执行指定功能或动作的专用基于硬件的系统实现，或执行专用硬件和计算机指令的组合。
已经出于说明和描述的目的而呈现了实施例的前述描述。它不旨在穷举或将本发明限制为所公开的精确形式。根据本发明，许多修改和变化是可能的。旨在本发明的范围不受此详细描述限制，而是受所附权利要求限制。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下可以进行各种修改。尽管在附图中以特定顺序描述了操作，但这不应被理解为要求这些操作以所示的特定顺序或按顺序执行，或者所有图示的操作都被执行以获得期望的结果。
本申请文件的每一页以及其上的所有内容，无论其特征、标识或编号如何，都被认为是本申请的实质性部分，用于所有目的，而与申请文件中的形式或位置无关。本说明书并非旨在详尽无遗或将本发明限制为所公开的精确形式。根据本发明，许多修改和变化是可能的。对于本领域技术人员来说，根据本说明书、附图和所附权利要求，其它和各种实施例将是显而易见的。旨在本发明的范围不受此详细描述限制，而是受所附权利要求限制。

Claims (20)

1.一种3D打印的高刚度重量比反射性光学器件，包括：
内反射镜腔体，其位于外反射镜壳体内，该外反射镜壳体包括封闭面背面；
所述内反射镜腔体包括3维空间填充体积晶格结构；和
多个3D打印的牺牲性集成结构，其被打印在所述封闭面背面上，其中所述3D打印的牺牲性集成结构具有两个或更多个腿，
其中，每个所述腿包括单独的易碎段，由此每个所述牺牲性集成结构的顶部平坦表面由所有腿充分支撑以抵抗加工应力，并且每个腿是单独能分离的，
由此，在单独切断每个腿易碎部分时，每个所述牺牲性集成结构是能移除的。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述3D打印的牺牲性集成结构是三脚架，所述三脚架包括具有不同长度的腿和所述顶部平坦表面。
3.根据权利要求1所述的装置，包括AlSi10Mg合金的粉末金属材料标注。
4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述晶格包括打印的晶格拓扑结构，其选自三角形混合体、截头八面体、螺旋体、立方桁架、八角桁架、截头四面体和阿基米德固体。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述晶格包括开孔四边形的打印的晶格拓扑结构。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述晶格包括约0.40英寸乘约0.40英寸的四方单位单元。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述晶格包括直径约0.040英寸的支柱。
8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述反射镜具有大于或等于约64均方根(RMS)的表面质量。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，所述刚度重量比包括约150E/ρ的比刚度和约300GPa的杨氏弹性模量。
10.一种用于制造3D打印的高刚度重量比反射性光学器件的方法，包括：
定义所述反射性光学器件的表面的反射性光学规格；
研究用于3维空间填充体积晶格结构的晶格从而支持所述反射性光学器件；
根据所述晶格研究的结果创建组件模型；
根据所述组件模型来打印反射镜组件，所述组件包括被打印在所述反射镜组件的封闭面背面上的多个3D打印的牺牲性集成支撑结构，其中所述3D打印的牺牲性集成结构具有两个或更多个腿；
对所述打印的反射镜组件进行热处理；
在所述反射镜的所述表面上加工反射镜；并且
移除异物碎片，包括移除所述多个牺牲性集成支撑结构。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述晶格研究包括以下步骤：
通过晶格分析确定重量和刚度。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
在所述研究晶格与创建组件的步骤之间，
创建晶格反射镜模型；并且
评估所述组件模型的可打印性。
13.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤：
在所述研究晶格与创建组件的步骤之间，
通过抽头测试来验证所述组件模型的有限元分析(FEA)；并且
创建增材制造(AM)反射镜图。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述创建组件包括以下步骤：
将反射镜腔体定位在外反射镜壳体中，所述外反射镜壳体与所述反射镜腔体之间具有0.030英寸的过盈配合。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述打印反射镜组件的步骤包括AlSi10Mg合金的粉末金属材料标注。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述移除所述多个牺牲性集成支撑结构的步骤包括：
切断每个牺牲性集成支撑结构的每个腿的单独易碎段，由此移除每个所述牺牲性集成支撑结构。
17.根据权利要求10所述的方法，其中，所述进行热处理的步骤包括以下步骤：
热等静压(HIP)；和
固溶热处理。
18.根据权利要求10所述的方法，其中，所述加工反射镜的步骤包括以下步骤：
粗加工、应力消除、最终加工、固溶热处理和精加工。
19.根据权利要求10所述的方法，其中，所述加工反射镜的步骤包括大于或等于约64均方根(RMS)的表面质量。
20.一种3D打印的高刚度重量比反射性光学器件，包括：
通过以下方式提供所述反射镜：
定义所述反射性光学器件的表面的反射性光学规格；
研究用于3维空间填充体积晶格结构的晶格从而支持所述反射性光学器件；
根据所述晶格研究的结果来创建组件模型；
根据所述组件模型来打印反射镜组件，所述组件包括被打印在所述反射镜组件的封闭面背面上的多个3D打印的牺牲性集成支撑结构，其中所述3D打印的牺牲性集成结构具有两个或更多个腿；
对所述打印的反射镜组件进行热处理；
在所述反射镜的所述表面上加工反射镜；并且
移除异物碎片，包括移除所述多个牺牲性集成支撑结构，所述移除所述多个牺牲性集成支撑结构的步骤包括切断每个牺牲性集成支撑结构的每个腿的单独易碎段；
其中，所述反射性光学器件的所述表面的尺寸约为9.75乘5.8英寸，并且表面质量大于或等于约64均方根(RMS)。
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