面向空間光學遙感器的增材制造技術的發展與應用

韓瀟 曹珺雯 焦建超 呂紅 王超 葛婧菁 俞越

面向空間光學遙感器的增材制造技術的發展與應用

韓瀟1,2曹珺雯3焦建超1,2呂紅1,2王超1,2葛婧菁1,2俞越1,2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）（2 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）（3 中國航空規劃設計研究總院有限公司，北京 100120）

增材制造是一項變革性的數字化制造技術，能夠實現新型復雜設計的實體制造，已在航空航天領域得到了廣泛應用。針對空間光學遙感器的輕量化、高效率、低成本以及快速制造的發展需求，文章通過對增材制造技術在國際空間光學遙感領域的應用研究現狀的調研，分析了增材制造技術應用于空間光學遙感器的技術優勢。該內容對推動航天先進制造技術的快速發展，加快空間裝備的更新換代具有參考價值。

增材制造 反射鏡 光機結構 航天遙感

0 引言

在各類衛星有效載荷中，空間光學遙感器發展最早，獲得的圖像或數據直觀易用，作為重要的天基信息獲取系統，在軍事偵察、資源勘察和環境探測等方面有極其重要的作用，一直以來都是各主要航天國家的重點發展領域。中國的光學遙感近年來取得了巨大進步，“高分”系列、“資源”系列、商遙系列、“海洋一號”系列、“風云”系列等衛星的發射，使空間對地觀測能力大幅提升，有效滿足了自然資源勘測、城市規劃、防災減災、海洋觀測、環境治理等應用需求[1-6]。

空間光學遙感器屬于航天精密儀器，涉及的部組件眾多，利用傳統設計與制造方式存在技術流程復雜、周期長、成本高等問題，并且復雜輕量化光機結構的加工難度大。近年來，增材制造技術迅速發展，已逐漸應用于具有復雜輕量化結構的光學元件、光機結構的快速制造，為輕量化、高性能空間光學遙感器設計與制造的發展帶來重大機遇。本文分析了國際增材制造技術在空間光學遙感器設計與制造應用中的技術優勢。

1 增材制造技術簡述

1.1 技術原理及工藝分類

增材制造技術（Additive manufacturing，AM）又稱3D打印技術，是在現代CAD/CAM技術、激光技術、計算機數控技術、信息技術、精密伺服驅動技術以及新材料與物理化學技術的基礎上，集成發展起來的新型制造技術。與傳統制造業通過模具、車銑等機械加工方式對原材料進行定型、切削以最終生產成品不同，增材制造是基于“離散—堆積”原理，采用材料逐層累加的方法制造實體零件。圖1為增材制造技術的基本流程[7]。

美國材料與試驗協會（ASTM）的F42委員會把增材制造工藝分為光固化、材料噴射沉積、粘結劑噴射沉積、材料擠壓、粉末床熔合、定向粉末沉積和疊層制造等七類[8]。目前，基于不同的增材制造工藝，已有20多種增材制造技術被開發應用，主流技術包括熔融沉積（Fused deposition modeling，FDM）、分層實體制造（Laminated Object Manufacturing，LOM）、激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping，LENS）、光固化（Stereo Lithography，SLA）、選區激光燒結（Selective Laser Sintering，SLS）[9-17]。各項工藝適用的原材料形態與工業應用方向如表1所示。

目前，增材制造材料已超過300種，主要包括：聚合物、光敏樹脂、生物材料、金屬、陶瓷等[18]。單一傳統材料（聚合物、金屬和陶瓷等）構件的增材制造過程大部分已經商業化。隨著新能源、新工藝和新設備的開發，使得復合材料和功能梯度材料等新材料的增材制造技術取得重大進展，已逐步應用于汽車、航空航天和消費產品等的快速制造[19]。圖2為增材制造材料、工藝與能源交互方式示意圖。

表1 增材制造工藝和材料類別及應用方向

Tab.1 Materials and corresponding AMs

圖2 增材制造材料、工藝與能源交互方式示意

近年來，研究人員將增材制造技術與智能材料技術相結合，成形構件可以在外界環境激勵下隨時間改變自身結構，從而實現某種功能化，即為近年來提出的4D打印技術。4D打印技術直接將設計內置到材料中，簡化了從設計理念到實物的造物過程。4D打印技術使3D打印結構不再固定不變，而是可以在環境刺激下按照預先設定的指令進行變化，使產品具有了“智能”、“聰敏”的特征，已成為近年來的研究熱點[20]。

1.2 技術特點

增材制造不需要傳統的刀具、機床、夾具，能夠在一臺設備上制造出任意形狀的零部件產品，實現了自由制造；增材制造可以解決復雜結構的成形，結構越復雜，效果越明顯，生產周期大幅縮短；增材制造適合加工難度大、性能要求高、價值昂貴以及現有傳統制造方法無法加工的產品。增材制造技術優勢具體表現為[7,18]：

1）無需大型工業加工制造設備及模具，能夠直接從計算機CAD圖形數據中生成實體產品，固定資產投資成本較低；

2）機械加工余量小、材料利用率高、生產周期短，特別適合中小批量產品制造及新產品研發；

3）不受模具的形狀和結構的任何約束，理論上可以打印任何形狀及組裝的產品，可用于復雜結構產品的直接制造，從而生產出用傳統方法難于生產甚至不能生產的形狀復雜的功能零部件；

4）可以實現整體打印成形，減少零件數量，避免了將一個復雜零件進行分拆制造后通過焊接或螺接而帶來的重量增加和潛在的質量缺陷，甚至能夠取消復雜零部件的裝配。

與鑄件和鍛件相比，增材制造金屬零件具有致密度高、組織細小、綜合力學性能優異的特點，且制造周期大幅縮短[11]。表2為復雜結構零件的增材制造與鍛造、鑄造方法在材料利用率、周期、返修率、費用等方面的比較。

表2 復雜結構零件的增材制造與傳統制造方法比較

Tab.2 A comparison of AM and the traditional manufacturing methods for complex structural components

然而，作為一項新興技術，增材制造技術在材料選擇、工藝特性和構件性能等方面也存在局限性，如下所述[7]。因此，有學者認為增材制造技術在短期內很難全面替代傳統制造技術[21]。

（1）材料限制。可供增材制造的材料有限，而且打印設備對成形材料也非常挑剔，要求有一定的熔點和塑性，尚未形成增材制造材料的標準體系。

（2）構件內應力高。在材料增材成形過程中，由于溫度劇烈循環變化、非均勻循環固態相變以及約束激冷凝固，構件內的應力難以控制，會導致大型構件在打印過程中嚴重變形或開裂。

（3）尺寸精度較低。由于分層制造存在“臺階效應”，每個層次雖然很薄，但在一定微觀尺度下，仍會形成具有一定厚度的“臺階”，對于弧形表面，則會造成精度上的偏差。

（4）可靠性較差。成形過程中對材料的微觀結構難以控制，導致零件性能穩定性差，無法用作關鍵主承力結構件。

綜上所述，增材制造技術能夠直接將虛擬的數字化實體模型轉變為產品，極大地簡化了生產流程，降低了研發成本，縮短了研發周期，減少了資源消耗，使得復雜結構零件的生產成為可能。與傳統制造方法相比，具有材料利用率高、產品設計自由度高、制造過程靈活等優勢。因此，將增材制造技術應用于空間光學遙感器的研制，能夠解決傳統制造方法的效率低、流程復雜、周期長等問題，與結構拓撲優化設計相結合能夠大幅提升輕量化程度，且有助于實現光機一體化成形，提高系統穩定度。但針對增材制造技術的局限性，需要通過合理選擇材料體系、優化成形及后處理工藝、與傳統制造方法相結合等方式，提高成形精度，降低內應力，減少內部缺陷，滿足空間光學遙感器在軌應用的要求。

2 增材制造技術在空間光學遙感器的應用

增材制造已經涵蓋了金屬、陶瓷及各類復合材料的快速成形，結合目前的工藝條件和設備等能力，增材制造已逐漸在空間光學遙感器的反射鏡鏡坯等光學元件的快速制造、光機結構快速成形等方面得到應用與驗證。

2.1 光學元件

隨著增材制造技術的日漸成熟，增材制造材料的不斷豐富，使其從單一力學結構成形逐漸向功能化結構成形轉變。對于空間光學遙感器而言，利用增材制造技術制造具有復雜輕量化結構的反射鏡鏡坯已成為近年來的研究熱點。

2015年，美國亞利桑那大學利用選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術分別制造了鋁合金和鈦合金光學反射鏡鏡坯，再通過機械拋光技術對鏡面進行光學加工（見圖3）。鏡坯的表面粗糙度均方根誤差RMS值為0.27mm，面形精度PV值為0.86mm。在此基礎上，該研究團隊對鏡面進行了精細研磨和精拋光，最終鏡面的RMS值和PV值分別達到了22nm和225nm，能夠滿足實際光學應用需求[22]。

圖3 SLM成形鋁合金與鈦合金鏡坯

Fig.3 Aluminum and Titanium mirrors of SLM

2018年，德國Fraunhofer實驗室利用SLM制造了內蜂窩結構的鋁合金金屬反射鏡原型，通過金剛石單點車削和表面鍍Ni得到光學鏡面，實現尺寸為150mm的反射鏡表面粗糙度小于1nm、面形偏差小于150nm的天文望遠鏡光學精度（見圖4）。能夠將太空望遠鏡的鏡組質量減小63.5%[23]。

圖4 金剛石車削的具有復雜內部結構的鋁合金反射鏡和面形偏差

Fig.4 A diamond turned mirror with non-trivial interior structure and its surface shape deviation

增材制造技術也被應用在與陶瓷材料的無模成形。利用增材制造技術對碳化硅鏡坯快速成形，結合燒結工藝與光學加工工藝實現光學反射鏡的快速制造。由于SiC陶瓷沒有固定熔點，在2 500℃以上會分解為C和Si，因此，需要添加粘結劑實現SiC陶瓷鏡坯的增材制造。2017年，法國3D Ceram公司提出利用SLS技術制造反射鏡鏡坯的概念設計，以實現陶瓷結構的超輕量化和快速制造（見圖5）。

圖5 增材制造陶瓷鏡坯

另外，玻璃材料增材制造技術也逐漸被研究開發，使其應用于光學透鏡的快速制造成形成為可能[24-26]。荷蘭LUXeXceL公司開發出專門用于3D打印光學材料的技術，能一步打印完成光學元件，無需進行諸如拋光、磨削、上色等后期處理。該系統基于成熟的寬幅工業噴墨印刷設備研發而成。先注入可紫外線光固化的高分子透明液滴，然后經打印頭端高強度紫外線燈光照射而固化。最終形成各異的幾何形狀，包括透明棱鏡、透鏡、全彩色3D圖形和紋理等。LUXeXceL公司在光學打印技術基礎上，推出了一種面向透射式光學產品的增材制造平臺以及新型的LUX-Opticlear處理技術，與其他3D打印方法相比，可直接打印出光滑表面，透光率達到96.9%，光學產品的厚度高達20mm（見圖6）。

圖6 3D打印光學透鏡元件

2.2 光機結構件

空間光學遙感器的光機結構需具備足夠的強度和剛度，并具有良好的穩定性，為保證光學成像質量，還需進行輕量化設計，且盡量采用輕質材料。對光機結構進行優化設計，一方面可以減少零件裝配；另一方面，采用同種材料整體式結構可以降低系統的溫度敏感性，可以從設計角度保證光機熱穩定性。增材制造技術應用于空間光學遙感器光機結構成形，能夠增加結構設計自由度和輕量化程度，減少零件數量，降低裝配復雜度。利用增材制造技術，結合拓撲優化設計，實現同種材質的復雜輕量化光機結構的直接成形。

2014年，NASA研制了3D打印光學望遠鏡（見圖7）。這臺全功能的長50.8mm望遠鏡，除了鏡面和玻璃透鏡用傳統方法制造外，其外管、擋板和光學架都作為獨立結構件均由鋁鈦粉3D打印制造，僅需制造4個零件，整體大小適配于CubeSat小衛星。如果用傳統制造方法制造，零件的數量會增至20~40個。而且，用于消除雜散光的遮光罩擋板具有一定的角度排列，傳統加工方法無法在一個零件中實現[27]。

2020年，ESA支持了一項新的增材制造太空望遠鏡研究項目，原型是NASA的EOS-Aura任務臭氧監測儀（OMI）。項目團隊對太空望遠鏡進行了重新設計，并采用金屬增材制造技術制造了望遠鏡組件（見圖8）。經過重新設計的太空望遠鏡有三個主要部分組成，包括望遠鏡的兩個鏡面，均用航天級鋁合金材料制造。相比于OMI望遠鏡2.8kg的質量，重新設計的增材制造望遠鏡質量僅為0.76kg，減小了73%，而性能并沒有降低。項目團隊通過拓撲優化設計得到了一系列優化結果，將原始設計中望遠鏡的6個支撐腿的6個附著點優化為4個附著點。

圖7 NASA的3D打印望遠鏡

圖8 ESA的3D打印望遠鏡

2.3 在軌原位制造

高分辨率空間光學遙感器在軍事偵察、空間科學探測等領域發揮著重大的應用價值。為獲得更高的空間分辨率，需不斷增大空間光學遙感器的光學口徑，如：在地球靜止軌道實現1m分辨率的對地觀測，光學口徑需達到10m以上。但由于受到材料、制造工藝、地面加工設備及運載能力等的限制，僅靠傳統方法無法實現10m以上超大口徑空間光學遙感器的在軌部署。增材制造技術可以通過僅發射原材料粉末或絲材以及制造設備，利用空間智能機器人實現空間裝備的在軌原位制造，不受發射約束條件、地面設備以及地面重力等的限制，且實施成本較低，使未來超大型空間裝備的在軌實現成為可能。國際上各國均開展了增材制造技術的在軌驗證，并提出了空間大型結構在軌制造的設計構想，圖9為NASA提出的Archinaut在軌制造項目概念圖。2017年，Made In Space公司在NASA的支持下，在國際空間站的太空環境下完成了大型構件的3D打印[28-29]。2020年，中國在新一代載人飛船試驗船內首次完成了連續纖維增強復合材料的3D打印實驗，實現了無人參與、自主控制，驗證了微重力環境下復合材料3D打印成形技術。

圖9 NASA的Archinaut項目在軌制造概念

總之，增材制造技術能夠應用于空間光學遙感器的反射鏡鏡坯等光學元件的快速制造，也能應用于復雜輕量化光機結構的整體成形。但由于增材制造工藝本身的技術特點，容易造成零件內部分層現象，在溫度變化時，內分層的各項異性會導致反射鏡面形退化達到數十納米。另外，增材制造的切片層厚與成形效率成正比，與成形精度成反比，對于大口徑反射鏡及大尺寸構件而言，其成形效率與精度不可兼顧。因此，后續研究應注重開展增材制造原材料設計、成形精度控制以及后處理工藝優化等方面的研究，應從以上方面解決大尺寸鏡坯及光機結構增材制造的問題。同時，加強對空間應用性能的驗證評估。另外，在未來超大口徑空間光學遙感器的在軌制造，增材制造技術應重點開展原材料制備、在軌制造設備及工藝等關鍵技術研究與空間環境適應性驗證。

3 結束語

增材制造技術推動了航天器向輕量化、整體化、結構功能一體化等方向的發展，同時，也加速了航天創新設計的發展與實現。近年來，增材制造技術不斷應用于空間光學遙感器關鍵部組件的快速制造領域，逐漸體現出以下優勢：

1）滿足空間光學遙感器輕量化、短周期、低成本研制需求。隨著空間光學遙感器產品研制任務的不斷增加與市場競爭環境的不斷惡劣，對光學載荷研制的要求日益苛刻，而且，對新型空間光學遙感器的研制需求迫切。增材制造技術可以實現復雜輕量化結構鏡坯與光機結構的一次成形，縮短加工周期，滿足載荷輕量化、短周期、低成本研制需求。并能夠應用于創新產品的快速技術驗證，縮短研制周期。

2）促進光學載荷產品向功能設計與加工制造一體化的轉變。在對空間光學遙感器產品設計時，設計者既要考慮功能與結構，還需考慮加工制造工藝，采用增材制造技術，能夠解放制造技術對產品設計的束縛，可以直接面向載荷功能進行高自由度創成式設計，推動空間光學遙感器產品功能設計與加工制造一體化的轉變。

3）引領未來大型空間裝備在軌制造技術的發展。作為空間技術領域發展的標志性里程碑，超大口徑高分辨率空間光學遙感器是當今世界最具挑戰性和先進性的航天高新裝備之一，增材制造技術能夠應用于未來超大口徑空間光學遙感器的在軌直接制造，不受發射條件和地面制造能力的約束，降低研制成本。

因此，增材制造技術在空間光學遙感器制造領域的廣泛應用，能夠推動航天先進制造技術的快速發展，加快空間裝備的更新換代。

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Applications and Development of Additive Manufacturing for Space Optical Remote Sensors

HAN Xiao1,2CAO Junwen3JIAO Jianchao1,2LYU Hong1,2WANG Chao1,2GE Jingjing1,2YU Yue1,2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics and Electricity, Beijing 100094, China）（2 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, Beijing 100094, China）（3 China Aviation Integrated Equipment Company Limited, Beijing 100120, China）

Additive manufacturing (AM) is regarded as a revolution technology，which enable the innovative and complex design forms that cannot be produced by the conventional manufacturing methods. AM has been widely used in the aerospace manufacturing field. As a precision system, space optical instruments have many rigid requirements, such as high resolution, light weight, low cost and short schedule. This paper analyzes the progress and advantages of AM research for space optical remote sensing applications. It is of great significance to promote the advanced space manufacturing technology rapidly and accelerate the renewal of space equipments.

additive manufacturing; optical mirror; opto-mechanical structure; aerospace remote sensing

O435；TH74

A

1009-8518(2021)01-0074-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.009

韓瀟，男，1980年生，2009年獲哈爾濱工業大學材料學專業博士學位，高級工程師。主要研究方向為增材制造技術及其在空間光學遙感領域的應用及評價研究。E-mail：hanxiao1998@126.com。

2020-08-26

國家自然科學基金（U1537105）

韓瀟, 曹珺雯, 焦建超, 等. 面向空間光學遙感器的增材制造技術的發展與應用[J]. 航天返回與遙感, 2021, 42(1): 74-83.

HAN Xiao, CAO Junwen, JIAO Jianchao, et al. Applications and Development of Additive Manufacturing for Space Optical Remote Sensors[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 74-83. (in Chinese)

（編輯：龐冰）