01
背景介紹
折反式光學(xué)系統(tǒng)已經(jīng)在航空測量與遙感等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。隨著航空科技的迅速發(fā)展，靈巧型、輕質(zhì)和高分辨率已經(jīng)成為機載光電遙感設(shè)備的折反式光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展方向，這就對折反式光學(xué)系統(tǒng)中反射鏡等光學(xué)元件的體積、重量等提出了更高的要求。
碳化硅、微晶和金屬合金等材料是折反式光學(xué)系統(tǒng)中反射鏡的常用材料。
碳化硅材料是航空領(lǐng)域光電載荷中最常用的反射鏡材料。碳化硅材料具備比剛度高和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，可以加工獲得高面形精度。但是碳化硅反射鏡制備周期較長，工藝路線繁瑣且成本較高。另外，輕小型碳化硅反射鏡的粘接設(shè)計也是制備流程的難點之一。
微晶玻璃材料反射鏡也可以獲得良好的面形精度，但是由于材料脆，大口徑反射鏡實現(xiàn)高輕量化率難度較大。另外熱導(dǎo)率較低，高低溫環(huán)境適應(yīng)性差。因此，微晶材料在大口徑反射鏡中的應(yīng)用較少，而是常用于制備透射鏡組中的折轉(zhuǎn)鏡等光學(xué)元件。
目前，鋁合金反射鏡已經(jīng)在折反式光學(xué)系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。鋁合金材料具有加工周期短，加工工藝性好和成本低等優(yōu)勢。但是鋁合金材料的廣泛應(yīng)用也存在制約因素。鋁合金反射鏡對材料基體的選擇有著嚴格的要求，需要材料本身致密無縫隙，滿足光學(xué)級尺寸穩(wěn)定性的鋁合金材料需要通過進口獲得。另外，由于材料比剛度差和傳統(tǒng)機械加工方式的限制，很難兼顧大口徑和高輕量化率。傳統(tǒng)鋁合金金屬反射鏡的輕量化方式需要考慮結(jié)構(gòu)完整性和易加工性，對反射鏡進行機械加工去除的上限接近60%，極難同時滿足高剛度和高度輕量化。
隨著對光電設(shè)備光學(xué)系統(tǒng)的實用性和快速制備要求越來越高，研究能夠滿足輕質(zhì)、高剛度和寬環(huán)境適應(yīng)性的鋁合金反射鏡變得越來越重要。為了彌補鋁合金材料比剛度差的問題，許多學(xué)者開始嘗試使用增材制造技術(shù)SLM工藝制備金屬反射鏡。使用SLM工藝，反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)和框架結(jié)構(gòu)可以選擇與增材制造反射鏡基體同種的材料，相同的熱膨脹系數(shù)使系統(tǒng)具有更寬范圍的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性及穩(wěn)定性。
相關(guān)技術(shù)可以拓展至激光通信、光學(xué)遙感、測繪等多種領(lǐng)域，具有重要的理論意義，具有廣泛的應(yīng)用前景。基于增材制造的金屬反射鏡技術(shù)的研究也已經(jīng)成為了當(dāng)今金屬反射鏡制備領(lǐng)域的前沿研究課題之一。
02
反射鏡基體的設(shè)計與制備
國外在2015年開始計劃將增材制造技術(shù)應(yīng)用于鋁合金反射鏡的制備中。美國硅谷的航天生產(chǎn)企業(yè)利用增材技術(shù)生產(chǎn)反射鏡和桁架梁結(jié)構(gòu)等航天器結(jié)構(gòu)元件，來探索其應(yīng)用效果。目前，已經(jīng)有裝備3D打印零部件的航天器投入運行。
2015年，美國康寧公司應(yīng)用增材制造技術(shù)制造了一個背部蜂窩狀輕質(zhì)高性能鋁合金反射鏡。該反射鏡采用傳統(tǒng)的背部六邊形蜂窩狀輕量化構(gòu)造形狀，通過增材制造工藝直接成形，省略了輕量化孔銑磨成形時間，提高了基體成形效率。該研究開啟了利用增材制造技術(shù)制備金屬反射鏡的先河。
德國弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所提出了一種金屬反射鏡的概念設(shè)計，可以通過增材制造來制備實現(xiàn)。在反射鏡的增材制造成形過程中，在內(nèi)部預(yù)留出定制的流道。流道可以呈盤旋分布，使其可以應(yīng)用于水冷鏡等領(lǐng)域。在傳統(tǒng)成形工藝中，可以通過焊接工藝過程實現(xiàn)，但是工藝復(fù)雜。采用增材制造方法制備后，成形效率可以獲得極大的提高，并減小了焊接過程中的焊接應(yīng)力。同時，其設(shè)計了近似全封閉式金屬反射鏡，內(nèi)部為六邊形蜂窩狀輕量化結(jié)構(gòu)。在六邊形蜂窩狀輕量化結(jié)構(gòu)的加強筋上設(shè)計排粉孔，連通所有蜂窩狀空間，可以實現(xiàn)排粉工作。與傳統(tǒng)金屬反射鏡的背部輕量化形式相比，反射鏡的剛度獲得了極大地提高。
2015年，Sweeney等研究學(xué)者經(jīng)過大量實驗，總結(jié)了增材制造技術(shù)應(yīng)用于金屬反射鏡制造的優(yōu)勢。增材制造技術(shù)可以大大縮短加工時間，節(jié)省加工材料，同時擁有與鍛造相同的尺寸穩(wěn)定性和均勻性，其可以通過進一步的精加工和熱處理，保證應(yīng)用于光學(xué)領(lǐng)域的尺寸穩(wěn)定性。金屬反射鏡通過增材制造技術(shù)制備，反射鏡采用45°成形，實現(xiàn)了反射鏡內(nèi)部支撐筋的自支撐，減少了零件每層的熔融面積，減小了殘余內(nèi)應(yīng)力。反射鏡成形后，經(jīng)過傳統(tǒng)機械加工和單點金剛石車削，獲得的金屬反射鏡面形RMS為0.043μm。
2017年，美國國家航空航天局在可見/紅外望遠鏡的先進光學(xué)系統(tǒng)和制造技術(shù)的報告中提出了利用增材制造技術(shù)制備高輕量化的非球面鏡。其通過激光選區(qū)燒結(jié)AlSi10Mg粉末制備口徑500mm的反射鏡，對基體進行了單點金剛石車削加工。其應(yīng)用領(lǐng)域為深空光通信（DSOC）、類地行星搜索等，也可以應(yīng)用在其他需要低造價高輕量化光學(xué)元件的科學(xué)領(lǐng)域。
2017年，Hilpert等人為了探尋最優(yōu)化的增材制造反射鏡結(jié)構(gòu)形式，對比分析了實體結(jié)構(gòu)、側(cè)面鉆孔結(jié)構(gòu)、背板封閉式蜂窩結(jié)構(gòu)、背板開放式蜂窩結(jié)構(gòu)和背板封閉式中空結(jié)構(gòu)5種結(jié)構(gòu)形式的金屬反射鏡，最終確定背板封閉式蜂窩結(jié)構(gòu)反射鏡為最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并制備成形。反射鏡材料為AlSi12，口徑為86mm，最終實現(xiàn)了63.5%的輕量化率。為了測試增材制造反射鏡面形精度的穩(wěn)定性，將反射鏡在恒溫條件下保存2年，面形精度RMS值從12.5nm變化為12.4nm，保證了良好的穩(wěn)定性。
2019年，Hilpert等人在蜂窩狀輕量化方式的基礎(chǔ)上，利用了增材制造技術(shù)成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，對反射鏡的輕量化形式進行局部優(yōu)化。為了提高對位支撐結(jié)構(gòu)的連接強度，在連接支撐結(jié)構(gòu)的區(qū)域進行加密處理，實現(xiàn)了60.5%的輕量化。
德國Hartung等人根據(jù)離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果，經(jīng)過合理設(shè)計布局，將主鏡和三鏡設(shè)置在同一個光學(xué)元件上，通過增材制造技術(shù)進行制備。反射鏡采用反射鏡鏡體和支撐結(jié)構(gòu)一體化結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部采用復(fù)雜的垂直加強筋結(jié)構(gòu)形式，獲得了更高的輕量化率。
美國Roulet等人通過增材制造技術(shù)制備應(yīng)用于航空領(lǐng)域的金屬反射鏡。針對內(nèi)部弓形輕量化結(jié)構(gòu)通過CAD仿真軟件設(shè)計優(yōu)化。以金屬反射鏡的鏡面法向位移為約束，仿真對比弓形輕量化結(jié)構(gòu)金屬反射鏡與傳統(tǒng)蜂窩輕量化結(jié)構(gòu)，弓形金屬反射鏡可以獲得更優(yōu)結(jié)果，面形精度更高。同時，為了實現(xiàn)不同輕量化率，對內(nèi)部的弓形支撐柱結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)進行拓撲優(yōu)化。這種方法可以應(yīng)用于金屬反射鏡輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有良好的理論應(yīng)用價值。
Atkins和Mici等人對基于增材制造技術(shù)的拓撲優(yōu)化進行了研究。其充分利用增材制造技術(shù)的成形優(yōu)勢，提出了一種將沃羅諾伊細胞（VoronoiCells）形式應(yīng)用于反射鏡的輕量化形式，下圖為設(shè)計的沃羅諾伊細胞輕量化結(jié)構(gòu)的二維視圖。靠近反射鏡鏡面結(jié)構(gòu)緊湊，遠離反射鏡鏡面一側(cè)結(jié)構(gòu)疏松，可以實現(xiàn)輕量化程度和剛度兩者的平衡。
Brunelle等人通過3D打印成形了圓形反射鏡，主要應(yīng)用于紅外波段。反射鏡采用FeNi36材料，線膨脹系數(shù)很低，適和在低溫光學(xué)等領(lǐng)域應(yīng)用。對反射鏡鏡面進行了微觀掃描，發(fā)現(xiàn)表面有孔隙缺陷，孔洞尺寸接近9μm，沒有達到完全致密。這種孔隙缺陷會影響光學(xué)成像效果，需要采用后處理措施來消除。
03
后處理工藝的研究
2014年，美國康寧公司公開了一種基于6061-T6材料的金屬反射鏡基體表面改性工藝專利。該專利提供了包括由基板支撐的性能增強涂層的光學(xué)元件以及制造該光學(xué)元件的方法。改性層材料可以包括Al或Al的合金，改性后表面RMS粗糙度小于4nm。該專利為鋁合金反射鏡的改性層材料選擇提供了借鑒。
Hilpert等人提出了一種制備可見光波段光學(xué)研究的工藝流程，即機械加工-單點金剛石車削-表面改性-磁流變拋光和光學(xué)機械拋光，為反射鏡基體的后處理工藝提供了思路。單點車加工過程中的反射鏡表面粗糙度為0.4nm，面形RMS值為12.5nm，獲得了良好的面形精度和表面粗糙度。
2015年，美國亞利桑那大學(xué)的Herzog等人認為能夠利用熱等靜壓技術(shù)來改善金屬反射鏡致密度，并在反射鏡表面直接實施了單點車和拋光等后處理加工工藝，反射鏡光學(xué)拋光后，獲得表面粗糙度RMS值為22nm，PV值為255nm。該反射鏡采用機械加工-單點金剛石車削-拋光工藝的流程制備，由于沒有進行表面鍍膜改性，表面粗糙度較差。
2018年，Atkins等人通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法設(shè)計的AlSi10Mg金屬反射鏡，反射鏡通過增材制造技術(shù)制備，直徑為40mm，高度為6mm。為了實現(xiàn)光學(xué)表面的高光潔度，采用鍍鎳磷合金來進行鏡面改性處理，通過改性拋光后制備的增材制造反射鏡總重量為11.7g，面形精度RMS值優(yōu)于31nm。
對國外部分6061鋁合金和增材制造鋁合金的反射鏡獲得的面形精度和表面粗糙度進行總結(jié)如下。
通過總結(jié)增材制造金屬反射鏡基體后處理工藝上的研究進展可以發(fā)現(xiàn)，增材制造金屬反射鏡基體具有良好的機械加工性能，AlSi10Mg等增材制造鋁合金材料是可熱處理強化合金，可以在反射鏡表面通過單點金剛石車削工藝直接加工出光學(xué)鏡面。針對增材制造會造成孔洞等缺陷的問題，在反射鏡表面鍍改性層再進一步光學(xué)加工是獲得良好的表面粗糙度的優(yōu)選方案。
04
綜上所述
國外在增材制造反射鏡制備技術(shù)方面的研究已經(jīng)領(lǐng)先于國內(nèi)，已經(jīng)獲得了面形精度滿足紅外/可見光學(xué)系統(tǒng)要求的金屬反射鏡。國內(nèi)對增材制造技術(shù)的研究主要集中與激光選區(qū)熔化工藝的探索與優(yōu)化，利用增材制造技術(shù)制備的零件也主要應(yīng)用于支撐結(jié)構(gòu)，用于制備光學(xué)元件的應(yīng)用較少。
增材制造反射鏡的優(yōu)勢與特點：
（1）增材制造反射鏡基體的機械加工工藝性好，可以直接進行鉆孔和攻絲等工序，也可以在表面直接進行單點金剛石車削和拋光等光學(xué)加工。
（2）增材制造反射鏡基體材料可以通過熱處理工藝強化，通過時效處理可以提高材料的力學(xué)性能。
（3）增材制造反射鏡可以不采用表面改性工藝，通過單點車和拋光工藝加工后，表面粗糙度一般在7~22nm范圍內(nèi)，可以滿足紅外波段的需要，但是卻無法滿足可見光波段的需求。
（4）增材制造技術(shù)極大的縮減了反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限性，可以實現(xiàn)基體結(jié)構(gòu)與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計。
增材制造反射鏡存在問題：
（1）由于增材制造反射鏡出現(xiàn)的時間較短，反射鏡的工藝制備路線仍在摸索階段，尚未形成統(tǒng)一的工藝流程。
（2）由于增材制造方法存在著各向異性和孔隙率較大的工藝特性，這兩個特性會對反射鏡的面形精度造成影響。
（3）目前國內(nèi)外對于實現(xiàn)高輕量化率增材制造反射鏡的方法主要是傳統(tǒng)輕量化結(jié)構(gòu)和拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)，由于增材制造方式加工可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如何通過更簡單的方法來實現(xiàn)反射鏡的超輕量化也值得研究。
隨著增材制造技術(shù)的進一步發(fā)展，在折反式光學(xué)系統(tǒng)中，應(yīng)用增材制造技術(shù)制備的金屬反射鏡作為光學(xué)元件將會成為發(fā)展方向。
05
增材反射鏡賞析
181 2135 3183