基于3D打印的空間光學相機結構設計

王超 張寧 王玉金 焦建超 蘇云 韓瀟 葛婧菁

基于3D打印的空間光學相機結構設計

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 先進光學遙感技術北京市重點實驗室，北京 100094）

空間相機傳統的機械加工方式由于設備的限制，會對零件的結構設計產生一定的工藝約束，對于相機中復雜度較高的光機部（組）件，這些限制和約束可能會使其無法實現傳力路徑和力學性能的最優設計。文章從這一角度入手，通過3D打印工藝釋放相機設計端的自由度，并結合拓撲優化完成了空間相機的一體式結構設計；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空間光學相機輕量化率、減少相機組件數量等方面的優越性和可行性。

3D打印 結構設計 拓撲優化 空間相機

0 引言

與傳統減材制造和塑性制造相反，3D打印始于3D數據模型，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、醫療等領域，并與傳統制造方式相結合，在降低產品設計制造復雜度的基礎上，提升了產品的性能。

傳統的空間光學相機要滿足各種力熱條件下的光學元件面形精度，還要適應發射階段的力學環境，因此設計復雜度往往較高，輕量化難度較大。本文從這一角度入手，從拓撲優化方法出發，利用3D打印的工藝優勢和思路完成空間光學相機的一體化設計，通過部件組合等方式減少零件的數量、降低裝配難度和系統質量。

1 設計思路

1.1 3D打印的工藝優勢

3D打印與傳統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備的干涉問題，因此可以將具有中空、多重曲面、空間扭轉、點陣等復雜特征的零件直接加工成型，這一點極大的釋放了設計端的自由度，使設計師能夠完成突破傳統的設計。近年來，3D打印在航空航天領域最典型的一個應用案例是美國GE公司的一款航空發動機燃油噴嘴，如圖1所示。

GE公司研制的LEAP發動機是商用航空史上最暢銷的發動機，每臺發動機需要安裝19個燃油噴嘴。傳統的燃油噴嘴由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打印燃油噴嘴的產量已經突破3萬。

圖1 3D打印燃油噴嘴

傳統空間光學相機，必須考慮剛度、熱變形、重力變形、裝配應力等多種力學條件，設計復雜度往往較高；此外，從相機與衛星平臺接口到相機的光學部件之間，往往有多重裝配關系，光學裝調復雜度較高，中間各環節的結構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構，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構，這一點可以應用于金屬鏡背部的消應力設計，通過中空結構提升金屬鏡柔性，使其更好的適應力熱環境；3）3D打印的微觀點陣結構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構件采用同種材料，提升整機熱穩定性、消除異種材料帶來的應力，從而設計出基于3D打印的全鋁、全鈦、甚至是全碳化硅相機。

1.2 面向3D打印的相機拓撲優化

拓撲優化作為一種算法，已經廣泛應用于空間相機結構設計和優化，是一種重要的結構輕量化方法。然而設計師在進行拓撲優化設計時，必須兼顧傳統機械加工的可制造性，這就使得優化過程必須兼顧傳統機械加工的可制造性，即設備、刀具、裝卡等方面的約束，這就使結構本身的優化受到了限制。

本文采用的拓撲優化方法與傳統拓撲優化的主要區別是引入了3D打印工藝后，拓撲優化的自由度極大的拓寬了，從而使拓撲優化的結果達到更好。在某些拓撲優化軟件中，已經加入了面向3D打印進行優化的功能。

面向3D打印的空間相機拓撲優化的主要設計思路是：1）不完全從經驗出發進行設計，主要從功能、接口、約束、設計空間、目標等角度入手，依靠拓撲軟件計算出每一個零件的外形，力求找到適用于此結構的“最優解”；2）可以利用3D打印的工藝升級來簡化結構設計，減少零件數量和裝配關系，即找到“最簡解”。

面向3D打印的空間相機拓撲優化的設計流程如圖2所示，具體包括：1）基于拓撲優化軟件，將“全空間”作為設計空間，以盡量高的輕量化率保證剛度，傳統的拓撲優化由于加工工藝限制，往往無法進行“全空間”優化；2）將拓撲計算結果進行光順化處理，不同于拓撲的數學計算，這里主要考慮結構設計可行性，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，保證結構符合3D打印工藝；4）添加消應力設計，這里會影響前期結構性能，需要結合整機模型迭代計算；5）對尺寸精度要求高的部位預留機械加工余量，并保證機加工藝性。

圖2 面向3D打印的相機零件設計流程

2 相機結構設計與仿真分析

對一款RC反射式空間相機進行了設計和分析，相機的光學設計結果和MTF分別如圖3、圖4所示。

圖3 相機光學設計結果

圖4 傳遞函數曲線

根據光學設計結果及視場要求，整個光學系統包含主鏡和次鏡兩個圓形反射鏡。以光學設計結果為主要輸入，以整機剛度和輕量化為目標，以溫度、重力、安裝應力等為工況開展相機結構設計。相機材料全部選用3D打印中的鋁基材料AlSi10Mg。

2.1 主鏡設計

主鏡設計要點如下：1）背部孔直接加工出螺紋，簡化安裝，平背結構保證打印后的機械加工和后期光學加工精度；2）加強筋的形式主要參考拓撲計算結果，同時考慮光加應力；3）通過3D打印實現的中空式消應力設計。

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位點突變為廣西首報，結果、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撲優化設計，拓撲優化、光順化處理后的結果如圖5所示。

圖5 主鏡拓撲優化、光順化設計結果

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

金屬鏡消應力設計的基本設計原則是盡量隔離裝配應力、熱應力、重力等對光學反射面的影響，提升光學系統穩定性。

3D打印工藝在消應力設計中的優勢主要體現在：3D打印能夠直接加工出傳統機械加工無法實現的中空結構，隔離來自反射鏡背部的應力對光學反射面的影響，使其更好的適應力熱環境。主鏡最終設計結果如圖6所示，設計上采用了中空式消應力槽結構。

圖6 主鏡最終設計結果

這樣的主鏡背部結構設計，可以使來自三個安裝點的應力更好的被中空式柔性結構吸收，使反射面的光學穩定性更好。通過仿真計算對空腔尺寸和消應力槽尺寸進行優化，滿足剛度和面形兩方面要求，這種中空結構傳統機加工藝無法實現。

2.2 主承力支架設計

作為整個相機主承力結構，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，同時隔離熱應力、安裝應力等對主次鏡的影響；3）提供整機對外結構接口。

支架的設計同樣要考慮增材工藝性、消應力、機加工藝性等，設計方法參見圖2中的零件設計流程。在對支架進行拓撲設計時，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，使設計空間最大化，并考慮上述功能約束和3D打印立式打印工藝等因素，完成設計。支架在一些接口處同樣加入了消應力環節。

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

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，輕量化率相對傳統相機有明顯提升。整機設計結果如圖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果見圖9?？梢园l現：整機剛度能夠滿足總體指標要求（約束基頻大于200Hz）；由于采用了同種材料設計，整機的力熱穩定性較好，在溫度均勻變化、溫度梯度變化、重力、安裝應力等工況下，主次鏡面形RMS值（鏡面點位置變化均方根）均優于/10（=632.8nm），能夠滿足紅外光學系統的指標要求。在整機質量方面，本方案整機（含探測器）質量2.3kg，相對傳統主鏡直徑160mm的紅外相機，總質量降低30%~40%，輕量化率顯著提升。

圖7 主承力支架設計結果

圖8 整機設計結果

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構設計形式，能夠滿足總體和光學指標要求。

3 結束語

本文首先分析了3D打印給傳統相機帶來的設計突破，總結了面向3D打印的空間相機的拓撲設計過程，在此基礎上提出了基于3D打印的空間光學相機的設計思路；隨后以一款基于3D打印的空間光學相機為設計實例，驗證了3D打印工藝在提升相機輕量化率、減少相機組件數量等方面的優越性和可行性。

目前該相機組件的打印和光學加工已經完成，后續將對整機進行力熱環境試驗。本文的相關研究分析成果，可為3D打印工藝在空間光學相機部組件設計制造方面的應用提供一定的思路和借鑒。

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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打印的空間光學相機結構設計[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年獲北京郵電大學機械設計及理論專業碩士學位，工程師。研究方向為空間相機結構設計。E-mail：5858003@qq.com。

（編輯：夏淑密）