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

增材制造技術(shù)能夠簡(jiǎn)化光學(xué)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(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)功能集成的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，尤其在衛(wèi)星光學(xué)系統(tǒng)制造領(lǐng)域，增材制造技術(shù)能夠滿足用戶對(duì)輕型光學(xué)系統(tǒng)不斷增長(zhǎng)的需求，并實(shí)現(xiàn)下一代高附加值光學(xué)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(shù)，開發(fā)了優(yōu)化陶瓷優(yōu)化光學(xué)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(yuǎn)鏡中所需的光學(xué)鏡面。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠通過3DOPTIC 工藝探索衛(wèi)星陶瓷光學(xué)鏡面的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)，包括半封閉式后背結(jié)構(gòu)、整合式介面、隨形肋。

下一代衛(wèi)星光學(xué)鏡面

通過增材制造技術(shù)開發(fā)的下一代光學(xué)儀器中，將越來越多采用緊湊的功能集成設(shè)計(jì)，如集成隔熱，冷卻通道，局限的機(jī)械和熱接口，以及將光學(xué)功能作為設(shè)備自身結(jié)構(gòu)的一部分。緊湊集成化設(shè)計(jì)減少了組件裝配過程中出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)開辟了制造冷卻光學(xué)系統(tǒng)，有源光學(xué)系統(tǒng)或自由曲面的新方式。陶瓷增材制造技術(shù)的凈成形能力，還能夠提高準(zhǔn)確性，改善集成/結(jié)合過程的質(zhì)量。

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

以下是納米衛(wèi)星望遠(yuǎn)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(xué)鏡面制造所帶來的技術(shù)優(yōu)勢(shì)包括：

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

新的機(jī)械和熱功能，例如密封通道或順應(yīng)性機(jī)構(gòu)；

僅打印所需材料的能力。

3D科學(xué)谷Review

增材制造在制造下一代光學(xué)器件方面的優(yōu)勢(shì)正在應(yīng)用實(shí)踐中得到驗(yàn)證。以下兩個(gè)案例展示了增材制造技術(shù)在實(shí)現(xiàn)減重和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜設(shè)計(jì)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(xiàng)新的增材制造研究項(xiàng)目，項(xiàng)目的研究團(tuán)隊(duì)對(duì)太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，并采用金屬3D打印技術(shù)制造了望遠(yuǎn)鏡組件。經(jīng)過重新設(shè)計(jì)的太空望遠(yuǎn)鏡有三個(gè)主要部分組成，包括望遠(yuǎn)鏡的兩個(gè)鏡面，均用飛行級(jí)鋁合金材料制造。望遠(yuǎn)鏡的原始設(shè)計(jì)版本是美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）EOS-Aura任務(wù)中使用的臭氧監(jiān)測(cè)（OMI）望遠(yuǎn)鏡，這款望遠(yuǎn)鏡重量為2.8公斤，而重新設(shè)計(jì)的3D打印望遠(yuǎn)鏡重量為0.76公斤，減輕了73％，而測(cè)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(xué)谷的市場(chǎng)觀察，另一種基于納米射流工藝的陶瓷3D打印技術(shù)在5G光束成形透鏡制造中，以實(shí)現(xiàn)包括許多空球形球設(shè)計(jì)，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(gè)腔位于天線饋源的頂部，用作半球中正確角度的波導(dǎo)，這樣可以支持同時(shí)的多光束。

《3D打印與陶瓷白皮書1.0》。來源：3D科學(xué)谷

在本文衛(wèi)星光學(xué)鏡面制造案例中所應(yīng)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(xué)谷的市場(chǎng)研究，從中長(zhǎng)期來看，3D打印陶瓷部件的附加價(jià)值將推動(dòng)用戶對(duì)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(jìn)陶瓷部件的企業(yè)，都可以從為增材制造而設(shè)計(jì)（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(xué)谷分享的衛(wèi)星陶瓷光學(xué)鏡面以及以上案例均是運(yùn)用了面向增材制造的設(shè)計(jì)思維，這對(duì)陶瓷領(lǐng)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)。