光學系統(tǒng)器件需要能夠滿足高剛度、高強度和高穩(wěn)定性的需求，從而能夠承受惡劣的機械和熱環(huán)境，并確保光學性能。盡管傳統(tǒng)的光學組件制造工藝已經(jīng)達到了極高的技術水平，但仍屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，在保證光學系統(tǒng)性能方面仍存在挑戰(zhàn)。

增材制造技術能夠簡化光學器件的制造流程，縮短交貨期并降低材料消耗。更重要的是，增材制造技術能夠?qū)崿F(xiàn)功能集成的優(yōu)化設計方案，尤其在衛(wèi)星光學系統(tǒng)制造領域，增材制造技術能夠滿足用戶對輕型光學系統(tǒng)不斷增長的需求，并實現(xiàn)下一代高附加值光學器件的制造。

陶瓷3D打印企業(yè)3DCeram 基于其光固化陶瓷3D打印技術，開發(fā)了優(yōu)化陶瓷優(yōu)化光學基板增材增材制造工藝3DOptic，并通過該工藝開發(fā)納米衛(wèi)星望遠鏡中所需的光學鏡面。光學系統(tǒng)設計人員能夠通過3DOPTIC 工藝探索衛(wèi)星陶瓷光學鏡面的創(chuàng)新性設計，包括半封閉式后背結構、整合式介面、隨形肋。

下一代衛(wèi)星光學鏡面

通過增材制造技術開發(fā)的下一代光學儀器中，將越來越多采用緊湊的功能集成設計，如集成隔熱，冷卻通道，局限的機械和熱接口，以及將光學功能作為設備自身結構的一部分。緊湊集成化設計減少了組件裝配過程中出現(xiàn)問題的風險，同時開辟了制造冷卻光學系統(tǒng)，有源光學系統(tǒng)或自由曲面的新方式。陶瓷增材制造技術的凈成形能力，還能夠提高準確性，改善集成/結合過程的質(zhì)量。

陶瓷3D打印只是該工藝中的一個步驟，成功完成零件增材制造還與支撐后處理、脫脂燒結步驟中的專業(yè)知識有關。

以下是納米衛(wèi)星望遠鏡中安裝的氧化鋯陶瓷3D打印鏡面。

來源：3DCeram

紅色組件由TA6V鈦合金3D打印而成，3D打印陶瓷鏡面能夠與其輕松組裝在一起。

來源：3DCeram

根據(jù)3DCeram，增材制造工藝為衛(wèi)星光學鏡面制造所帶來的技術優(yōu)勢包括：

質(zhì)量/剛度比優(yōu)化（3D打印肋厚度限制為0.2mm；機加工為1mm）；

新的機械和熱功能，例如密封通道或順應性機構；

僅打印所需材料的能力。

3D科學谷Review

增材制造在制造下一代光學器件方面的優(yōu)勢正在應用實踐中得到驗證。以下兩個案例展示了增材制造技術在實現(xiàn)減重和實現(xiàn)復雜設計方面的能力。

l 減重73%，但保持性能

歐洲航天局（ESA ）支持了一項新的增材制造研究項目，項目的研究團隊對太空望遠鏡進行了重新設計，并采用金屬3D打印技術制造了望遠鏡組件。經(jīng)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，均用飛行級鋁合金材料制造。望遠鏡的原始設計版本是美國國家航空航天局（NASA）EOS-Aura任務中使用的臭氧監(jiān)測（OMI）望遠鏡，這款望遠鏡重量為2.8公斤，而重新設計的3D打印望遠鏡重量為0.76公斤，減輕了73％，而測量質(zhì)量沒有降低。

l 5G 陶瓷波束成形天線透鏡

根據(jù)3D科學谷的市場觀察，另一種基于納米射流工藝的陶瓷3D打印技術在5G光束成形透鏡制造中，以實現(xiàn)包括許多空球形球設計，克服了5G波束成型天線透鏡的開發(fā)挑戰(zhàn)。

該透鏡天線可以安裝在一系列小型天線饋源的頂部，天線饋源陣列連接到波束切換電路。球形中的每個腔位于天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導，這樣可以支持同時的多光束。

《3D打印與陶瓷白皮書1.0》。來源：3D科學谷

在本文衛(wèi)星光學鏡面制造案例中所應用的光固化陶瓷3D打印工藝，是目前較優(yōu)的陶瓷增材制造工藝。根據(jù)3D科學谷的市場研究，從中長期來看，3D打印陶瓷部件的附加價值將推動用戶對于陶瓷增材制造硬件和材料的需求。許多生產(chǎn)陶瓷部件的企業(yè)，尤其是制造先進陶瓷部件的企業(yè)，都可以從為增材制造而設計（DfAM）的高附加值陶瓷部件中獲益匪淺。但企業(yè)仍需培養(yǎng)開發(fā)真正高附加值部件的增材制造思維。

本期3D科學谷分享的衛(wèi)星陶瓷光學鏡面以及以上案例均是運用了面向增材制造的設計思維，這對陶瓷領域的用戶培養(yǎng)增材制造思維，利用3D打印開發(fā)高附加值的陶瓷部件帶來一定啟發(fā)。