太空望远镜的首次3D打印尝试,减重73% 仍符合光学性能要求

欧洲航天局(ESA )支持了一项新的增材制造研究项目,项目的研究团队对太空望远镜进行了重新设计,并采用金属3D打印技术制造了望远镜组件。根据ESA ,这款望远镜可以识别地球大气中的臭氧和其他微量气体。

Part_Telescope_ESA_1增材制造太空望远镜组件样件。来源:ESA

block 功能集成与减重

增材制造-3D打印望远镜项目由是由德国OHB系统牵头开发的,成员还包括荷兰TNO、荷兰空间科学研究所SRON、德国Fraunhofer 制造技术和先进材料研究所,Materialise 等机构。

Telescope_ESA_2传统设计的太空望远镜。来源:ESA

太空望远镜是一款高性能仪器,需要光学上极其精确地对准才能进行工作,识别大气中痕量气体的光谱指纹。

Part_Telescope_ESA_3增材制造太空望远镜侧面图。来源:ESA

经过重新设计的太空望远镜有三个主要部分组成,包括望远镜的两个镜面,均用飞行级铝合金材料制造。望远镜的原始设计版本是美国国家航空航天局(NASA)EOS-Aura任务中使用的臭氧监测(OMI)望远镜,这款望远镜重量为2.8公斤,而重新设计的3D打印望远镜重量为0.76公斤,减轻了73%,而测量质量没有降低。

3D打印能够用来创建复杂的几何形状,望远镜的重新设计正是利用了3D打印的优势。相比原始设计,3D打印望远镜的零件功能得到了整合,例如在复杂内部结构中整合了多个挡板,以及能够固定两个反射镜的组件。正因为如此,望远镜制造中所需的装配工作减少了,同时还可以实现强大的顶级光学仪器的所有必要功能。

Part_Telescope_ESA_4附着点。来源:ESA

在进行望远镜设计时,开发团队使用了拓扑优化设计技术将材料放置在负载所在的位置,并得到了一系列优化结果,例如在原始设计中望远镜的六个支撑腿需要6个附着点,但优化后仅需要4个附着点。

Part_Telescope_ESA_5带增材制造组件的太空望远镜。来源:ESA

这是金属增材制造技术在复杂光学器械制造中的首次尝试,研究团队通过开发和制造高要求的高精度望远镜组件清晰的展示了金属3D打印技术在这个领域的优势。即使在包括热真空,正弦波以及随机振动和冲击测试在内的完整环境测试程序中,3D打印望远镜也完全符合相关的光学性能要求。

发射器或卫星支架等3D打印结构部件已经用于执行太空任务,3D打印望远镜项目的目标是制造要求更高的太空硬件,在技术上更加接近具有挑战性的太空飞行硬件制造的目标。

 

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