一種基于3D打印的遙感相機(jī)次鏡遮光罩的制造技術(shù)

孟洪濤 殷永霞 李皓鵬 孫建 邱泉水 郭志松 劉陽同

一種基于3D打印的遙感相機(jī)次鏡遮光罩的制造技術(shù)

孟洪濤 殷永霞 李皓鵬 孫建 邱泉水 郭志松 劉陽同

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

針對遙感相機(jī)多光闌次鏡遮光罩結(jié)構(gòu)采用傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝制造時(shí)存在的工藝難、周期長、成本高的問題，文章提出了一種基于3D打印的非金屬次鏡遮光罩制造技術(shù)。首先分析了該型次鏡遮光罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后介紹了其制造工藝方案并與傳統(tǒng)方案進(jìn)行了對比，最后對研制結(jié)果進(jìn)行了討論，并從產(chǎn)品力學(xué)試驗(yàn)及在軌應(yīng)用效果方面進(jìn)行了分析，結(jié)果顯示該遮光罩制造技術(shù)將傳統(tǒng)復(fù)雜的制造工藝程序化，不需要模具，成本低，制造周期短，在軌各項(xiàng)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

聚醚醚酮 次鏡遮光罩 3D打印 空間遙感相機(jī)

0 引言

遮光罩是空間遙感相機(jī)的重要部件，主要用于阻擋和消除入射到光學(xué)系統(tǒng)或在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的非成像光束，避免引起傳遞函數(shù)的退化和信噪比的降低，提高光學(xué)系統(tǒng)的成像品質(zhì)或者探測性能[1-2]。遮光罩除了承擔(dān)消光功能外，作為結(jié)構(gòu)件還要經(jīng)受衛(wèi)星運(yùn)輸和發(fā)射過程嚴(yán)酷的力學(xué)環(huán)境，如靜力過載、動載荷沖擊、隨機(jī)振動等，因此對遮光罩的材料和工藝具有較高的要求。

為了實(shí)現(xiàn)遙感相機(jī)上遮光罩的“功能化”和“輕量化”[3]，目前多選用纖維（碳纖維、芳綸纖維）增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料。但是，此種材料由于采用真空袋-熱壓罐法成型工藝，模具形式復(fù)雜，制作時(shí)鋪層工序多，產(chǎn)品后續(xù)脫模困難，且成本高、周期長。3D打印技術(shù)作為一種采用逐層堆積直接進(jìn)行零件成形的數(shù)字化增材制造工藝，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)成型方法的劣勢，與傳統(tǒng)減材或增材制造相比，該技術(shù)消除了加工過程對中間模具的需求，能夠快速響應(yīng)需求，具有單件、小批量、定制化、快速制造的優(yōu)勢[4]。

本文中研究的某空間遙感相機(jī)的次鏡遮光罩尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，利用傳統(tǒng)的復(fù)合材料成型技術(shù)制造困難，研制周期長，成本高。因此在本文中提出了利用3D打印技術(shù)來實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的制作生產(chǎn)。

1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及技術(shù)要求

該型次鏡遮光罩為某遙感相機(jī)的4個(gè)次鏡配置。為阻擋和消除雜散光，在每個(gè)次鏡入光口安裝有1件次鏡遮光罩。該次鏡遮光罩尺寸小，結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，形狀呈多層套筒結(jié)構(gòu)，其最大外形尺寸25.8 mm（直徑）×80.9 mm（高度），具體形狀見圖1，在軸側(cè)圖中向左為向，向外為向，向上為向。罩體上方設(shè)計(jì)有3塊耳片用于與相機(jī)次鏡三爪支撐框接口連接。罩體部分呈左右對稱，兼顧遮光比及安裝空間，從俯視方向看，罩體左右側(cè)光闌共6層，上側(cè)光闌共4層，下側(cè)光闌共3層。光闌與光闌之間通過立筋連接，其最內(nèi)側(cè)光闌直徑為53 mm。相鄰光闌之間間距小，最小間距僅0.7 mm。除耳片外，罩體部分壁厚0.8 mm。

次鏡遮光罩裝星后會經(jīng)受衛(wèi)星運(yùn)輸、發(fā)射過程的動載荷沖擊、隨機(jī)振動等環(huán)境。由于光學(xué)遙感器本身的特殊性，對產(chǎn)品的剛度、強(qiáng)度、在軌運(yùn)行期間尺寸穩(wěn)定性等都有較高要求。本文中的次鏡遮光罩主要技術(shù)要求如下：1）力學(xué)性能——滿足發(fā)射及在軌工況下的剛度及強(qiáng)度要求，例如要求振動試驗(yàn)后無裂紋、分層等缺陷；2）機(jī)械接口——遮光罩安裝孔位置在圓周方向角度精度±0.2°；3）尺寸要求——產(chǎn)品壁厚控制在（0.8±0.2）mm以內(nèi)，外形尺寸公差符合GB/T 1804-c級；4）質(zhì)量要求——產(chǎn)品質(zhì)量一致性控制在10%（質(zhì)量偏差值）以內(nèi)；5）表面可見光吸收率≥95%。

圖1 次鏡遮光罩

2 制造方案選擇

2.1 復(fù)合材料模壓成型

根據(jù)該次鏡遮光罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用碳纖維復(fù)合材料利用模壓的形式成型。首先需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)，設(shè)計(jì)成型模具。由于產(chǎn)品小且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，模具設(shè)計(jì)及加工具有一定的難度。模具采用45號鋼，成型時(shí)在每層光闌之間放置芯模，然后利用碳布在芯模上進(jìn)行鋪層；而后，將芯模對接成為一個(gè)整體。由于手工鋪層的敷貼性差，鋪層過程中需對每層進(jìn)行抽真空預(yù)壓實(shí)；待鋪層結(jié)束后，芯模在周向通過銷軸進(jìn)行定位，最終利用熱壓罐加壓固化成型。產(chǎn)品成型后手工脫模修整，之后機(jī)械加工遮光罩連接孔，最后為產(chǎn)品噴涂消光黑漆。成型后的模具如圖2所示。

2.2 3D打印成型

該次鏡遮光罩采用熔融沉積成型（FDM）的方式利用聚醚醚酮（一種熱塑性樹脂，擁有優(yōu)良的力學(xué)性能[5-6]，性能參數(shù)見表1）絲材作為原材料進(jìn)行制造。熔融沉積成型（FDM）是一種典型、成熟的3D打印成型方式，具有設(shè)備成本低、材料利用率高的特點(diǎn)[7-8]。其制造原理為：利用熱塑性聚合物制備成絲狀耗材，絲材通過步進(jìn)電機(jī)擠到噴頭內(nèi)進(jìn)行高溫融化，同時(shí)噴頭按打印件的規(guī)定路徑層層堆疊成型。熔融沉積成型3D打印原理見圖3[9-11]。采用該方案成型，無需設(shè)計(jì)模具，只需要將產(chǎn)品原模型進(jìn)行預(yù)處理，形成利于3D打印機(jī)器易于識別及實(shí)現(xiàn)的模型。將絲材進(jìn)行一定的處理后放入打印機(jī)器中，啟動機(jī)器進(jìn)行打印成型。為防止產(chǎn)品的熱應(yīng)力變形[12]，在產(chǎn)品制作完畢后需要進(jìn)行后處理。之后進(jìn)行后加工打孔、噴涂消光黑漆等工作。

圖2 模具示意

圖3 熔融沉積成型（FDM）原理

表1 PEEK材料性能

Tab.1 Characteristic of PEEK

2.3 方案對比

通過上述兩種成型方案對比可以發(fā)現(xiàn)，由于相鄰光闌之間最小間距僅0.7 mm，產(chǎn)品尺寸小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，若采用復(fù)合材料模壓成型存在以下問題：1）模具設(shè)計(jì)及制造困難，生產(chǎn)成本高；2）鋪層需在狹小空間進(jìn)行，操作難度大；3）芯模結(jié)構(gòu)形式為圓弧薄片，脫模困難；4）由于鋪層及脫模休整均為手工操作，單件制作時(shí)間需要5 d，制造周期長；5）產(chǎn)品壁厚0.8 mm，脫模過程產(chǎn)品容易損壞。而3D打印僅需將模型進(jìn)行工藝優(yōu)化，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)編制相應(yīng)打印程序[13]，利用通用的聚醚醚酮絲材作為原材料進(jìn)行打印成型，不需要模具，制造成本低，單件成本僅為模壓成型的10%；制造周期短，單件制作時(shí)間僅需要1 d。鑒于3D打印成型具有以上顯著優(yōu)勢，最終該產(chǎn)品選擇3D打印的方式進(jìn)行制造。

3 3D打印工藝方法

本文中的次鏡遮光罩成型工藝方法為：首先將產(chǎn)品模型進(jìn)行預(yù)處理，形成3D 打印機(jī)更容易識別的模型；之后將PEEK絲材進(jìn)行熱處理，隨后在機(jī)器內(nèi)進(jìn)行打印成型；產(chǎn)品打印完畢后對其進(jìn)行人工時(shí)效后處理；最后加工連接孔并噴涂消光黑漆。產(chǎn)品成型工藝流程見圖4。

圖4 工藝流程

3.1 模型預(yù)處理

首先對該次鏡遮光罩模型進(jìn)行觀察，對3D打印不利的位置進(jìn)行如下預(yù)處理：1）受打印絲材規(guī)格的限制產(chǎn)品會存在尖銳邊緣，這些尖銳邊緣會導(dǎo)致無法準(zhǔn)確堆疊成型材料，需對其進(jìn)行倒鈍，倒鈍處理后遮光罩的消光效果仍然可以滿足設(shè)計(jì)要求；2）因?yàn)榇蛴☆^的行程無法支持特別小的銳角，角拐角需要進(jìn)行倒圓角處理；3）模型共3處安裝孔，安裝孔位置與圓周中心軸方向的角度精度為±0.1°，熔融沉積成型由于自身打印原理，使其制作豎直面內(nèi)的圓孔時(shí)較為困難，因此產(chǎn)品打印模型上取消安裝孔，待產(chǎn)品打印結(jié)束后再進(jìn)行機(jī)械后加工，以滿足高精度要求。預(yù)處理位置及處理的效果見圖5。

圖5 預(yù)處理位置及效果

3.2 打印方案

模型經(jīng)過預(yù)處理后，便可將其輸入3D打印軟件，設(shè)置打印參數(shù)。影響打印件品質(zhì)的主要是兩大類因素，一類是層厚、沉積角度、氣泡和取向方式；另一類是擠出溫度、進(jìn)料速度和擠出率[14-16]。根據(jù)該產(chǎn)品特點(diǎn)以及PEEK快速成型的特殊性，打印方案具體設(shè)置如下：1）打印噴頭的直徑為0.4 mm，打印速度10 mm/s，打印層高為0.2 mm，打印溫度為430 ℃；2）由于次鏡遮光罩為多層套筒結(jié)構(gòu)，故填充方式選擇同心圓填充；3）支撐方式采用常用的鋸齒形填充方式[17-18]。正式打印之前，通過軟件自帶的模擬打印功能進(jìn)行模擬加工，通過模擬加工識別可能存在缺陷的位置并進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，待確認(rèn)無誤后，便可進(jìn)行產(chǎn)品的打印。打印結(jié)束后，將產(chǎn)品從底托上取下，之后將支撐結(jié)構(gòu)去除。打印狀態(tài)見圖6。

3.3 打印結(jié)果

利用上述工藝方案最終打印后的產(chǎn)品表面狀態(tài)良好、厚度均勻，外形尺寸及安裝孔位置度符合設(shè)計(jì)要求。實(shí)際打印產(chǎn)品如圖7所示，產(chǎn)品部分外形實(shí)測值見表2。

圖6 打印實(shí)景

圖7 打印產(chǎn)品實(shí)物圖（左為俯視；右為側(cè)視）

Fig.7 Pictuces of real products (left: top view; right: side view)

表2 次鏡遮光罩外形尺寸

Tab.2 Physical dimensions of the baffles

按照本文選用的3D打印技術(shù)生產(chǎn)的4個(gè)次鏡遮光罩，每件產(chǎn)品平均質(zhì)量40.57 g，質(zhì)量偏差比最大為3.9%，滿足質(zhì)量一致性不高于10%的要求。該遮光罩若利用碳纖維復(fù)合材料制作，產(chǎn)品理論質(zhì)量為58 g，而利用聚醚醚酮材料3D打印的次鏡遮光罩相較于碳纖維復(fù)合材料，平均質(zhì)量減小30.1%。次鏡遮光罩產(chǎn)品質(zhì)量見表3。

表3 次鏡遮光罩質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

Tab.3 Weights of the baffles

3.4 噴涂消光黑漆

次鏡遮光罩在3D打印結(jié)束后，在遮光罩內(nèi)、外表面及法蘭面利用噴槍噴涂E51-M黑漆。噴漆實(shí)施后，黑漆與產(chǎn)品表面結(jié)合良好，無起皮掉漆等現(xiàn)象。噴漆后產(chǎn)品實(shí)物見圖8。該黑漆的可見光吸收率≥95%，可有效地消除雜散光。

圖8 產(chǎn)品噴漆效果

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與應(yīng)用效果

基于PEEK材料3D打印的次鏡遮光罩是在遙感相機(jī)上首次應(yīng)用，為驗(yàn)證該次鏡遮光罩的力學(xué)性能，對其進(jìn)行了鑒定級正弦振動試驗(yàn)和隨機(jī)振動試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)過程中次鏡遮光罩狀態(tài)正常，無分層、裂紋等缺陷。正弦振動與隨機(jī)振動試驗(yàn)條件見表4～5。

目前，應(yīng)用該3D打印次鏡遮光罩的相機(jī)在軌運(yùn)行正常。相機(jī)開機(jī)后圖像像質(zhì)優(yōu)異、層次豐富，成像品質(zhì)滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。相機(jī)的在軌成功應(yīng)用，證明該次鏡遮光罩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能滿足衛(wèi)星發(fā)射及在軌載荷工況，消光效果良好，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

表4 正弦振動試驗(yàn)條件

表5 隨機(jī)振動試驗(yàn)條件

Tab.5 Random vibration test condition

5 結(jié)束語

基于3D打印技術(shù)制造的PEEK材料次鏡遮光罩外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求，安裝后可以滿足空間遙感相機(jī)的消光效果。經(jīng)過振動試驗(yàn)、衛(wèi)星發(fā)射以及在軌運(yùn)行的驗(yàn)證，表明該次鏡遮光罩結(jié)構(gòu)力學(xué)性能及空間消光效果可以滿足設(shè)計(jì)要求。該次鏡遮光罩的成功應(yīng)用不僅解決了傳統(tǒng)復(fù)合材料成型工藝中脫模困難的問題，并且還具有質(zhì)量小、成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)。因此基于3D打印的次鏡遮光罩制造技術(shù)具有良好的推廣前景。

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A Baffle Manufacturing Technology Based on 3D Printing for the Secondary Mirror Space Cameras

MENG Hongtao YIN Yongxia LI Haopeng SUN Jian QIU Quanshui GUO Zhisong LIU Yangtong

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

In view of the problems of difficult process, long cycle and high cost in the manufacture for the traditional composite material molding process, this paper proposes a manufacturing technology based on 3D printing using anon-metallicbaffle for the secondary mirror of space cameras. Firstly, the structure characteristics of the bafflewere analyzed, and then its manufacturing process scheme was introduced and compared with the traditional scheme. Finally, the development results, the product mechanical test and in-orbit application effect were discussed. The results show that the baffle manufacturing technology makes the traditional complex manufacturing process in sequence, and can meet the in-orbitperformance requirements, with no mold, low cost, and short manufacturing cycle.

PEEK; secondary mirror baffle; 3D printing technology; space remote sensor

TB330.1

A

1009-8518(2023)05-0046-08

10.3969/j.issn.1009-8518.2023.05.006

2022-09-29

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MENG Hongtao, YIN Yongxia, LI Haopeng, et al. A Baffle Manufacturing Technology Based on 3D Printing for the Secondary Mirror Space Cameras[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2023, 44(5): 46-53. (in Chinese)

（編輯：夏淑密）