王超 張寧 王玉金 焦建超 蘇云 韓瀟 葛婧菁

基于3D打印的空間光學(xué)相機結(jié)構(gòu)設(shè)計

王超1張寧1王玉金1焦建超1蘇云1韓瀟2葛婧菁2

（1 北京空間機電研究所，北京 100094） （2 先進光學(xué)遙感技術(shù)北京市重點實驗室，北京 100094）

空間相機傳統(tǒng)的機械加工方式由于設(shè)備的限制，會對零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計產(chǎn)生一定的工藝約束，對于相機中復(fù)雜度較高的光機部（組）件，這些限制和約束可能會使其無法實現(xiàn)傳力路徑和力學(xué)性能的最優(yōu)設(shè)計。文章從這一角度入手，通過3D打印工藝釋放相機設(shè)計端的自由度，并結(jié)合拓?fù)鋬?yōu)化完成了空間相機的一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計；最后進行了各種工況的有限元分析，并完成了相機加工制造，從而驗證了3D打印工藝在提升傳統(tǒng)空間光學(xué)相機輕量化率、減少相機組件數(shù)量等方面的優(yōu)越性和可行性。

3D打印 結(jié)構(gòu)設(shè)計 拓?fù)鋬?yōu)化 空間相機

0 引言

與傳統(tǒng)減材制造和塑性制造相反，3D打印始于3D數(shù)據(jù)模型，通常利用逐層疊加材料的方法將部件制造出來。目前，3D打印零件已廣泛進入航空航天、汽車、醫(yī)療等領(lǐng)域，并與傳統(tǒng)制造方式相結(jié)合，在降低產(chǎn)品設(shè)計制造復(fù)雜度的基礎(chǔ)上，提升了產(chǎn)品的性能。

傳統(tǒng)的空間光學(xué)相機要滿足各種力熱條件下的光學(xué)元件面形精度，還要適應(yīng)發(fā)射階段的力學(xué)環(huán)境，因此設(shè)計復(fù)雜度往往較高，輕量化難度較大。本文從這一角度入手，從拓?fù)鋬?yōu)化方法出發(fā)，利用3D打印的工藝優(yōu)勢和思路完成空間光學(xué)相機的一體化設(shè)計，通過部件組合等方式減少零件的數(shù)量、降低裝配難度和系統(tǒng)質(zhì)量。

1 設(shè)計思路

1.1 3D打印的工藝優(yōu)勢

3D打印與傳統(tǒng)的減材制造在工藝上完全不同，3D打印在加工階段無需考慮刀具和設(shè)備的干涉問題，因此可以將具有中空、多重曲面、空間扭轉(zhuǎn)、點陣等復(fù)雜特征的零件直接加工成型，這一點極大的釋放了設(shè)計端的自由度，使設(shè)計師能夠完成突破傳統(tǒng)的設(shè)計。近年來，3D打印在航空航天領(lǐng)域最典型的一個應(yīng)用案例是美國GE公司的一款航空發(fā)動機燃油噴嘴，如圖1所示。

GE公司研制的LEAP發(fā)動機是商用航空史上最暢銷的發(fā)動機，每臺發(fā)動機需要安裝19個燃油噴嘴。傳統(tǒng)的燃油噴嘴由20個零件焊接組成，3D打印將其整合為一個零件，質(zhì)量降低了25%，使用壽命提升4倍。截止2018年10月這款3D打印燃油噴嘴的產(chǎn)量已經(jīng)突破3萬。

圖1 3D打印燃油噴嘴

傳統(tǒng)空間光學(xué)相機，必須考慮剛度、熱變形、重力變形、裝配應(yīng)力等多種力學(xué)條件，設(shè)計復(fù)雜度往往較高；此外，從相機與衛(wèi)星平臺接口到相機的光學(xué)部件之間，往往有多重裝配關(guān)系，光學(xué)裝調(diào)復(fù)雜度較高，中間各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)件加工精度和難度也較高。針對這些問題，可以利用3D打印工藝的特點提供解決思路。具體而言，3D打印帶給傳統(tǒng)相機的突破主要有以下幾個方面：1）3D打印便于制造一體式結(jié)構(gòu)，將原本需要裝配的多個零件合為一個；2）3D打印能夠直接加工中空結(jié)構(gòu)，這一點可以應(yīng)用于金屬鏡背部的消應(yīng)力設(shè)計，通過中空結(jié)構(gòu)提升金屬鏡柔性，使其更好的適應(yīng)力熱環(huán)境；3）3D打印的微觀點陣結(jié)構(gòu)能夠在均勻保持面形的前提下進一步提升反射鏡輕量化率；4）3D打印制造的反射鏡能夠與相機結(jié)構(gòu)件采用同種材料，提升整機熱穩(wěn)定性、消除異種材料帶來的應(yīng)力，從而設(shè)計出基于3D打印的全鋁、全鈦、甚至是全碳化硅相機。

1.2 面向3D打印的相機拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化作為一種算法，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，是一種重要的結(jié)構(gòu)輕量化方法。然而設(shè)計師在進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計時，必須兼顧傳統(tǒng)機械加工的可制造性，這就使得優(yōu)化過程必須兼顧傳統(tǒng)機械加工的可制造性，即設(shè)備、刀具、裝卡等方面的約束，這就使結(jié)構(gòu)本身的優(yōu)化受到了限制。

本文采用的拓?fù)鋬?yōu)化方法與傳統(tǒng)拓?fù)鋬?yōu)化的主要區(qū)別是引入了3D打印工藝后，拓?fù)鋬?yōu)化的自由度極大的拓寬了，從而使拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果達(dá)到更好。在某些拓?fù)鋬?yōu)化軟件中，已經(jīng)加入了面向3D打印進行優(yōu)化的功能。

面向3D打印的空間相機拓?fù)鋬?yōu)化的主要設(shè)計思路是：1）不完全從經(jīng)驗出發(fā)進行設(shè)計，主要從功能、接口、約束、設(shè)計空間、目標(biāo)等角度入手，依靠拓?fù)滠浖嬎愠雒恳粋€零件的外形，力求找到適用于此結(jié)構(gòu)的“最優(yōu)解”；2）可以利用3D打印的工藝升級來簡化結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少零件數(shù)量和裝配關(guān)系，即找到“最簡解”。

面向3D打印的空間相機拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計流程如圖2所示，具體包括：1）基于拓?fù)鋬?yōu)化軟件，將“全空間”作為設(shè)計空間，以盡量高的輕量化率保證剛度，傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化由于加工工藝限制，往往無法進行“全空間”優(yōu)化；2）將拓?fù)溆嬎憬Y(jié)果進行光順化處理，不同于拓?fù)涞臄?shù)學(xué)計算，這里主要考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計可行性，并進行單個零件的有限元分析；3）進行增材工藝可行性修正，保證結(jié)構(gòu)符合3D打印工藝；4）添加消應(yīng)力設(shè)計，這里會影響前期結(jié)構(gòu)性能，需要結(jié)合整機模型迭代計算；5）對尺寸精度要求高的部位預(yù)留機械加工余量，并保證機加工藝性。

圖2 面向3D打印的相機零件設(shè)計流程

2 相機結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

對一款RC反射式空間相機進行了設(shè)計和分析，相機的光學(xué)設(shè)計結(jié)果和MTF分別如圖3、圖4所示。

圖3 相機光學(xué)設(shè)計結(jié)果

圖4 傳遞函數(shù)曲線

根據(jù)光學(xué)設(shè)計結(jié)果及視場要求，整個光學(xué)系統(tǒng)包含主鏡和次鏡兩個圓形反射鏡。以光學(xué)設(shè)計結(jié)果為主要輸入，以整機剛度和輕量化為目標(biāo)，以溫度、重力、安裝應(yīng)力等為工況開展相機結(jié)構(gòu)設(shè)計。相機材料全部選用3D打印中的鋁基材料AlSi10Mg。

2.1 主鏡設(shè)計

主鏡設(shè)計要點如下：1）背部孔直接加工出螺紋，簡化安裝，平背結(jié)構(gòu)保證打印后的機械加工和后期光學(xué)加工精度；2）加強筋的形式主要參考拓?fù)溆嬎憬Y(jié)果，同時考慮光加應(yīng)力；3）通過3D打印實現(xiàn)的中空式消應(yīng)力設(shè)計。

2.3 家系Ⅲ 檢出致病基因為SLC26A4基因的c.259G>T和IVS7-2A>G(c.919-2A>G)兩個位點復(fù)合雜合突變，患者前庭總腳至前庭水管外口之間中點的最大管徑寬度>1.5 mm;診斷為大前庭導(dǎo)水管綜合征。孕18周胎兒基因檢測與先證者攜帶相同的致病基因。SLC26A4基因c.259G>T位點突變?yōu)閺V西首報，結(jié)果、家系圖及測序突變。見表1、表2、圖1、圖2。

按照前面的流程對主鏡進行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，拓?fù)鋬?yōu)化、光順化處理后的結(jié)果如圖5所示。

圖5 主鏡拓?fù)鋬?yōu)化、光順化設(shè)計結(jié)果

在圖5的基礎(chǔ)上，還需要進行消應(yīng)力設(shè)計和仿真迭代分析，最終得到如圖6所示的主鏡設(shè)計結(jié)果，相對傳統(tǒng)金屬鏡，這種主鏡結(jié)構(gòu)形式較為簡潔，輕量化率也更高。此外，從傳統(tǒng)金屬鏡的設(shè)計和應(yīng)用經(jīng)驗得知，金屬鏡相對傳統(tǒng)玻璃或碳化硅反射鏡而言，更容易受到安裝應(yīng)力、熱應(yīng)力等外力影響，使加工好的面形變差，因此需要對鏡體進行消應(yīng)力設(shè)計。

金屬鏡消應(yīng)力設(shè)計的基本設(shè)計原則是盡量隔離裝配應(yīng)力、熱應(yīng)力、重力等對光學(xué)反射面的影響，提升光學(xué)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3D打印工藝在消應(yīng)力設(shè)計中的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：3D打印能夠直接加工出傳統(tǒng)機械加工無法實現(xiàn)的中空結(jié)構(gòu)，隔離來自反射鏡背部的應(yīng)力對光學(xué)反射面的影響，使其更好的適應(yīng)力熱環(huán)境。主鏡最終設(shè)計結(jié)果如圖6所示，設(shè)計上采用了中空式消應(yīng)力槽結(jié)構(gòu)。

圖6 主鏡最終設(shè)計結(jié)果

這樣的主鏡背部結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以使來自三個安裝點的應(yīng)力更好的被中空式柔性結(jié)構(gòu)吸收，使反射面的光學(xué)穩(wěn)定性更好。通過仿真計算對空腔尺寸和消應(yīng)力槽尺寸進行優(yōu)化，滿足剛度和面形兩方面要求，這種中空結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)機加工藝無法實現(xiàn)。

2.2 主承力支架設(shè)計

作為整個相機主承力結(jié)構(gòu)，主承力支架零件的功能較多，主要包括：1）用于安裝主鏡、次鏡、遮光罩和探測器；2）保證整機的主體剛度，同時隔離熱應(yīng)力、安裝應(yīng)力等對主次鏡的影響；3）提供整機對外結(jié)構(gòu)接口。

支架的設(shè)計同樣要考慮增材工藝性、消應(yīng)力、機加工藝性等，設(shè)計方法參見圖2中的零件設(shè)計流程。在對支架進行拓?fù)湓O(shè)計時，由于是面向3D打印，可以從不遮擋光路的“全空間”圓柱體出發(fā)，使設(shè)計空間最大化，并考慮上述功能約束和3D打印立式打印工藝等因素，完成設(shè)計。支架在一些接口處同樣加入了消應(yīng)力環(huán)節(jié)。

此外，支架零件在設(shè)計時采用了前面提到的“多合一”設(shè)計方式，將傳統(tǒng)相機中的多個零件合成了一個零件，減少了零件數(shù)量和裝配關(guān)系。支架組合了傳統(tǒng)相機中的多個零件，具體包括：1）3個BIPOD支架（用于支撐主鏡）；2）1個探測器轉(zhuǎn)接支架；3）3個相機外接支腳；4）傳統(tǒng)相機中次鏡三桿支架與主結(jié)構(gòu)是分開的，本文設(shè)計中將二者合成一體，形成了圖7所示的主承力支架結(jié)構(gòu)。圖7中的一體式主承力支架，集成了上述多個零件的功能，實現(xiàn)了“多合一”零件設(shè)計。

2.3 有限元分析

整機主要包括主承力支架、主鏡、次鏡、遮光罩等零件，輕量化率相對傳統(tǒng)相機有明顯提升。整機設(shè)計結(jié)果如圖8所示。

對整機進行有限元建模和各種力熱工況分析，模型及各工況分析結(jié)果見圖9?？梢园l(fā)現(xiàn)：整機剛度能夠滿足總體指標(biāo)要求（約束基頻大于200Hz）；由于采用了同種材料設(shè)計，整機的力熱穩(wěn)定性較好，在溫度均勻變化、溫度梯度變化、重力、安裝應(yīng)力等工況下，主次鏡面形RMS值（鏡面點位置變化均方根）均優(yōu)于/10（=632.8nm），能夠滿足紅外光學(xué)系統(tǒng)的指標(biāo)要求。在整機質(zhì)量方面，本方案整機（含探測器）質(zhì)量2.3kg，相對傳統(tǒng)主鏡直徑160mm的紅外相機，總質(zhì)量降低30%~40%，輕量化率顯著提升。

圖7 主承力支架設(shè)計結(jié)果

圖8 整機設(shè)計結(jié)果

圖9 整機有限元模型及各工況分析

以上分析表明，這種基于3D打印的空間相機光機結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，能夠滿足總體和光學(xué)指標(biāo)要求。

3 結(jié)束語

本文首先分析了3D打印給傳統(tǒng)相機帶來的設(shè)計突破，總結(jié)了面向3D打印的空間相機的拓?fù)湓O(shè)計過程，在此基礎(chǔ)上提出了基于3D打印的空間光學(xué)相機的設(shè)計思路；隨后以一款基于3D打印的空間光學(xué)相機為設(shè)計實例，驗證了3D打印工藝在提升相機輕量化率、減少相機組件數(shù)量等方面的優(yōu)越性和可行性。

目前該相機組件的打印和光學(xué)加工已經(jīng)完成，后續(xù)將對整機進行力熱環(huán)境試驗。本文的相關(guān)研究分析成果，可為3D打印工藝在空間光學(xué)相機部組件設(shè)計制造方面的應(yīng)用提供一定的思路和借鑒。

[1] 王躍, 李世其, 張錦龍, 等. 地球靜止軌道遙感相機一體化設(shè)計[J]. 航天返回與遙感, 2016, 37(4): 40-48. WANG Yue, LI Shiqi, ZHANG Jinlong, et al. Integrated Design Analysis of Remote Sensing Camera on Geostationary Earth Orbit Satellite[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(4): 40-48. (in Chinese)

[2] 薛芳, 韓瀟, 孫東華. 3D打印技術(shù)在航天復(fù)合材料制造中的應(yīng)用[J]. 航天返回與遙感, 2015, 36(2): 77-82. XUE Fang, HAN Xiao, SUN Donghua. The Application of 3D Printing Technology in Space Composites Manufacturing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2016, 37(4): 40-48. (in Chinese)

[3] GREENHOUSE M A. The JWST Science Instrument Payload: Mission Context and Status[C]//OSCHMANN J M, CLAMPIN M, FAZIO G G, et al. Proceedings of SPIE Volume 9143: Space Telescopes and Instrumentation 2014: Optical, Infrared, and Millimeter Wave. SPIE, 2015: 1-12.

[4] CHRZANOWSKI C. Design and Structural/Optical Analysis of a Kinematic Mount for TheTesting of Silicon Carbide Mirrors at Cryogenic Temperatures[J]. Proceedings of SPIE: The International Society for Optical Engineering, 2004, 35(5): 466-476.

[5] YAN Xiutian, ION W J, EYNARD B. Global Design to Gain a Competitive Edge[M]. London: Springer, 2008.

[6] POMPEAA S M, PFISTERER R N, MORGANC J S. A Stray Light Analysis of the Apache Point Observatory 3.5-Meter Telescope System[J]. SPIE, 2003, 4842: 128-138.

[7] LIGHTSEY P A, WEI Zongying. James Webb Space Telescope Stray Light Performance Status Update[J]. SPIE, 2012, 8842: 88423B.

[8] NOVAKOVA-MARCINCINOVA L, NOVAK-MARCINCIN J, BARNA J, et al. Special Materials Used in FDM Rapid Prototyping Technology Application[C]//2012 IEEE 16th International Conference on Intelligent Engineering Systems, 13-15 June, Lisbon, Portugal, 2012.

[9] COMPTON B G, LEWIS J A. 3D-printing of Lightweight Cellular Composites[J]. Advanced Materials, 2014, 26(34): 5930-5935.

[10] KUMAR S, KRUTH J P. Composites by Rapid Prototyping Technology[J]. Materials and Design, 2010, 31(2): 850-856.

[11] SPAAN F, WILLINGALE R. An Assessment of the Problem of Stray Light in the Optics of the International X-ray Observatory[J]. SPIE, 2010, 7732: 773240.

[12] NOYAMA D, SANDERS B P, JOO J J. Topology Optimization Approach for the Determination of the Multiple-configuration Morphing Wing Strructure[J]. Journal of Aircmf, 2008, 45(6): 1853-1862.

[13] ORME M E, GSCHWEIT M, FERRARI M. Additive Manufacturing of Lightweight, Optimized, Metallic Components Suitable for Space Flight[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2017, 54(5): 1050-1059.

[14] SCIME L, BEUTH J. Using Machine Learning to Identify in-situ Melt Pool Signatures Indicative of Flaw Formation in a Laser Powder Bed Fusion Additive Manufacturing Process[J]. Additive Manufacturing, 2019, 25(1): 151-165.

[15] CHENG B, LYDON J, COOPER K. Melt Pool Sensing and Size Analysis in Laser Powder-bed Metal Additive Manufacturing[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 32: 744-753.

[16] PRICE S, COOPER K. Evaluations of Temperature Measurements in Powder-based Electron Beam Additive Manufacturing by Near-infrared Thermography[J]. International Journal of Rapid Manufacturing, 2014, 4(1): 1-13.

[17] ZALAMEDA J N, BURKE E R. Thermal Imaging for Assessment of Electron-beam Freeform Fabrication (EBF~3) Additive Manufacturing Deposits[C]//Proceedings of SPIE 8705, Thermosense: Thermal Infrared Applications XXXV. [S.l.]: SPIE, 2013: 87050M.1-87050M.8.

[18] WANG Tianjiao, ZHOU Chi, XU Wenyao. Online Droplet Monitoring in Inkjet 3D Printing Using Catadioptric Stereo System[J]. IISE Transactions, 2019, 51(2): 153-167.

[19] WANG Xiaoyong, GUO Chongling. Optimal Design for Front Body Structure of Space Camera[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 2278(580): 53-61.

[20] KONG Lin, WANG Dong. The Influence of Elywheel Micro Vibration on Space Camera and Vibration Suppression[J]. Mechanical Systems and Signal Processing, 2018, 100(1): 360-370.

Structure Design of Space Optical Camera Based on 3D Printing

WANG Chao1ZHANG Ning1WANG Yujin1JIAO Jianchao1SU Yun1HAN Xiao2GE Jingjing2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China） （2 Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology of Beijing, Beijing 100094, China）

In order to satisfy the needs of vehicle launching and on-orbit operation, the lightweight design has always been a key point to space cameras. However, it is usually restricted by the traditional machining equipment. For complex structure parts and optical components, these restrictions may be a limitation to achieve the optimal design of the load-transferring path and mechanical property. From this point of view, the degree of freedom is released for the designers by using 3D printing, and the structure design of an integrated space camera is finished through topology optimization. Lastly, the finite element analysis under various load cases is performed and the camera is manufactured. Therefore, the advantage and feasibility of the application of 3D printing in traditional space optical camera are verified to increase lightweight rate and reduce the part number.

3D printing; structure design; topology optimization; space camera

V423.4

A

1009-8518(2020)01-0085-06

10.3969/j.issn.1009-8518.2020.01.010

2019-11-20

王超, 張寧, 王玉金, 等. 基于3D打印的空間光學(xué)相機結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 航天返回與遙感, 2020, 41(1): 85-90.

WANG Chao, ZHANG Ning, WANG Yujin, et al. Structure Design of Space Optical Camera Based on 3D Printing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2020, 41(1): 85-90. (in Chinese)

王超，男，1983年生，2010年獲北京郵電大學(xué)機械設(shè)計及理論專業(yè)碩士學(xué)位，工程師。研究方向為空間相機結(jié)構(gòu)設(shè)計。E-mail：5858003@qq.com。

（編輯：夏淑密）