基于3D打印的空间光学相机结构设计

王超 张宁 王玉金 焦建超 苏云 韩潇 葛婧菁

基于3D打印的空间光学相机结构设计

王超1张宁1王玉金1焦建超1苏云1韩潇2葛婧菁2

（1 北京空间机电研究所，北京 100094） （2 先进光学遥感技术北京市重点实验室，北京 100094）

空间相机传统的机械加工方式由于设备的限制，会对零件的结构设计产生一定的工艺约束，对于相机中复杂度较高的光机部（组）件，这些限制和约束可能会使其无法实现传力路径和力学性能的最优设计。文章从这一角度入手，通过3D打印工艺释放相机设计端的自由度，并结合拓扑优化完成了空间相机的一体式结构设计；最后进行了各种工况的有限元分析，并完成了相机加工制造，从而验证了3D打印工艺在提升传统空间光学相机轻量化率、减少相机组件数量等方面的优越性和可行性。

3D打印 结构设计 拓扑优化 空间相机

0 引言

与传统减材制造和塑性制造相反，3D打印始于3D数据模型，通常利用逐层叠加材料的方法将部件制造出来。目前，3D打印零件已广泛进入航空航天、汽车、医疗等领域，并与传统制造方式相结合，在降低产品设计制造复杂度的基础上，提升了产品的性能。

传统的空间光学相机要满足各种力热条件下的光学元件面形精度，还要适应发射阶段的力学环境，因此设计复杂度往往较高，轻量化难度较大。本文从这一角度入手，从拓扑优化方法出发，利用3D打印的工艺优势和思路完成空间光学相机的一体化设计，通过部件组合等方式减少零件的数量、降低装配难度和系统质量。

1 设计思路

1.1 3D打印的工艺优势

3D打印与传统的减材制造在工艺上完全不同，3D打印在加工阶段无需考虑刀具和设备的干涉问题，因此可以将具有中空、多重曲面、空间扭转、点阵等复杂特征的零件直接加工成型，这一点极大的释放了设计端的自由度，使设计师能够完成突破传统的设计。近年来，3D打印在航空航天领域最典型的一个应用案例是美国GE公司的一款航空发动机燃油喷嘴，如图1所示。

GE公司研制的LEAP发动机是商用航空史上最畅销的发动机，每台发动机需要安装19个燃油喷嘴。传统的燃油喷嘴由20个零件焊接组成，3D打印将其整合为一个零件，质量降低了25%，使用寿命提升4倍。截止2018年10月这款3D打印燃油喷嘴的产量已经突破3万。

图1 3D打印燃油喷嘴

传统空间光学相机，必须考虑刚度、热变形、重力变形、装配应力等多种力学条件，设计复杂度往往较高；此外，从相机与卫星平台接口到相机的光学部件之间，往往有多重装配关系，光学装调复杂度较高，中间各环节的结构件加工精度和难度也较高。针对这些问题，可以利用3D打印工艺的特点提供解决思路。具体而言，3D打印带给传统相机的突破主要有以下几个方面：1）3D打印便于制造一体式结构，将原本需要装配的多个零件合为一个；2）3D打印能够直接加工中空结构，这一点可以应用于金属镜背部的消应力设计，通过中空结构提升金属镜柔性，使其更好的适应力热环境；3）3D打印的微观点阵结构能够在均匀保持面形的前提下进一步提升反射镜轻量化率；4）3D打印制造的反射镜能够与相机结构件采用同种材料，提升整机热稳定性、消除异种材料带来的应力，从而设计出基于3D打印的全铝、全钛、甚至是全碳化硅相机。

1.2 面向3D打印的相机拓扑优化

拓扑优化作为一种算法，已经广泛应用于空间相机结构设计和优化，是一种重要的结构轻量化方法。然而设计师在进行拓扑优化设计时，必须兼顾传统机械加工的可制造性，这就使得优化过程必须兼顾传统机械加工的可制造性，即设备、刀具、装卡等方面的约束，这就使结构本身的优化受到了限制。

本文采用的拓扑优化方法与传统拓扑优化的主要区别是引入了3D打印工艺后，拓扑优化的自由度极大的拓宽了，从而使拓扑优化的结果达到更好。在某些拓扑优化软件中，已经加入了面向3D打印进行优化的功能。

面向3D打印的空间相机拓扑优化的主要设计思路是：1）不完全从经验出发进行设计，主要从功能、接口、约束、设计空间、目标等角度入手，依靠拓扑软件计算出每一个零件的外形，力求找到适用于此结构的“最优解”；2）可以利用3D打印的工艺升级来简化结构设计，减少零件数量和装配关系，即找到“最简解”。

面向3D打印的空间相机拓扑优化的设计流程如图2所示，具体包括：1）基于拓扑优化软件，将“全空间”作为设计空间，以尽量高的轻量化率保证刚度，传统的拓扑优化由于加工工艺限制，往往无法进行“全空间”优化；2）将拓扑计算结果进行光顺化处理，不同于拓扑的数学计算，这里主要考虑结构设计可行性，并进行单个零件的有限元分析；3）进行增材工艺可行性修正，保证结构符合3D打印工艺；4）添加消应力设计，这里会影响前期结构性能，需要结合整机模型迭代计算；5）对尺寸精度要求高的部位预留机械加工余量，并保证机加工艺性。

图2 面向3D打印的相机零件设计流程

2 相机结构设计与仿真分析

对一款RC反射式空间相机进行了设计和分析，相机的光学设计结果和MTF分别如图3、图4所示。

图3 相机光学设计结果

图4 传递函数曲线

根据光学设计结果及视场要求，整个光学系统包含主镜和次镜两个圆形反射镜。以光学设计结果为主要输入，以整机刚度和轻量化为目标，以温度、重力、安装应力等为工况开展相机结构设计。相机材料全部选用3D打印中的铝基材料AlSi10Mg。

2.1 主镜设计

主镜设计要点如下：1）背部孔直接加工出螺纹，简化安装，平背结构保证打印后的机械加工和后期光学加工精度；2）加强筋的形式主要参考拓扑计算结果，同时考虑光加应力；3）通过3D打印实现的中空式消应力设计。

2.3 家系Ⅲ 检出致病基因为SLC26A4基因的c.259G>T和IVS7-2A>G(c.919-2A>G)两个位点复合杂合突变，患者前庭总脚至前庭水管外口之间中点的最大管径宽度>1.5 mm;诊断为大前庭导水管综合征。孕18周胎儿基因检测与先证者携带相同的致病基因。SLC26A4基因c.259G>T位点突变为广西首报，结果、家系图及测序突变。见表1、表2、图1、图2。

按照前面的流程对主镜进行拓扑优化设计，拓扑优化、光顺化处理后的结果如图5所示。

图5 主镜拓扑优化、光顺化设计结果

在图5的基础上，还需要进行消应力设计和仿真迭代分析，最终得到如图6所示的主镜设计结果，相对传统金属镜，这种主镜结构形式较为简洁，轻量化率也更高。此外，从传统金属镜的设计和应用经验得知，金属镜相对传统玻璃或碳化硅反射镜而言，更容易受到安装应力、热应力等外力影响，使加工好的面形变差，因此需要对镜体进行消应力设计。

金属镜消应力设计的基本设计原则是尽量隔离装配应力、热应力、重力等对光学反射面的影响，提升光学系统稳定性。

3D打印工艺在消应力设计中的优势主要体现在：3D打印能够直接加工出传统机械加工无法实现的中空结构，隔离来自反射镜背部的应力对光学反射面的影响，使其更好的适应力热环境。主镜最终设计结果如图6所示，设计上采用了中空式消应力槽结构。

图6 主镜最终设计结果

这样的主镜背部结构设计，可以使来自三个安装点的应力更好的被中空式柔性结构吸收，使反射面的光学稳定性更好。通过仿真计算对空腔尺寸和消应力槽尺寸进行优化，满足刚度和面形两方面要求，这种中空结构传统机加工艺无法实现。

2.2 主承力支架设计

作为整个相机主承力结构，主承力支架零件的功能较多，主要包括：1）用于安装主镜、次镜、遮光罩和探测器；2）保证整机的主体刚度，同时隔离热应力、安装应力等对主次镜的影响；3）提供整机对外结构接口。

支架的设计同样要考虑增材工艺性、消应力、机加工艺性等，设计方法参见图2中的零件设计流程。在对支架进行拓扑设计时，由于是面向3D打印，可以从不遮挡光路的“全空间”圆柱体出发，使设计空间最大化，并考虑上述功能约束和3D打印立式打印工艺等因素，完成设计。支架在一些接口处同样加入了消应力环节。

此外，支架零件在设计时采用了前面提到的“多合一”设计方式，将传统相机中的多个零件合成了一个零件，减少了零件数量和装配关系。支架组合了传统相机中的多个零件，具体包括：1）3个BIPOD支架（用于支撑主镜）；2）1个探测器转接支架；3）3个相机外接支脚；4）传统相机中次镜三杆支架与主结构是分开的，本文设计中将二者合成一体，形成了图7所示的主承力支架结构。图7中的一体式主承力支架，集成了上述多个零件的功能，实现了“多合一”零件设计。

2.3 有限元分析

整机主要包括主承力支架、主镜、次镜、遮光罩等零件，轻量化率相对传统相机有明显提升。整机设计结果如图8所示。

对整机进行有限元建模和各种力热工况分析，模型及各工况分析结果见图9。可以发现：整机刚度能够满足总体指标要求（约束基频大于200Hz）；由于采用了同种材料设计，整机的力热稳定性较好，在温度均匀变化、温度梯度变化、重力、安装应力等工况下，主次镜面形RMS值（镜面点位置变化均方根）均优于/10（=632.8nm），能够满足红外光学系统的指标要求。在整机质量方面，本方案整机（含探测器）质量2.3kg，相对传统主镜直径160mm的红外相机，总质量降低30%~40%，轻量化率显著提升。

图7 主承力支架设计结果

图8 整机设计结果

图9 整机有限元模型及各工况分析

以上分析表明，这种基于3D打印的空间相机光机结构设计形式，能够满足总体和光学指标要求。

3 结束语

本文首先分析了3D打印给传统相机带来的设计突破，总结了面向3D打印的空间相机的拓扑设计过程，在此基础上提出了基于3D打印的空间光学相机的设计思路；随后以一款基于3D打印的空间光学相机为设计实例，验证了3D打印工艺在提升相机轻量化率、减少相机组件数量等方面的优越性和可行性。

目前该相机组件的打印和光学加工已经完成，后续将对整机进行力热环境试验。本文的相关研究分析成果，可为3D打印工艺在空间光学相机部组件设计制造方面的应用提供一定的思路和借鉴。

[1] 王跃, 李世其, 张锦龙, 等. 地球静止轨道遥感相机一体化设计[J]. 航天返回与遥感, 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, 韩潇, 孙东华. 3D打印技术在航天复合材料制造中的应用[J]. 航天返回与遥感, 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, 张宁, 王玉金, 等. 基于3D打印的空间光学相机结构设计[J]. 航天返回与遥感, 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年获北京邮电大学机械设计及理论专业硕士学位，工程师。研究方向为空间相机结构设计。E-mail：5858003@qq.com。

（编辑：夏淑密）