太空望遠鏡的首次3D列印嘗試,減重73% 仍符合光學性能要求

2020-12-03 3DScienceValley

歐洲航天局（ESA ）支持了一項新的增材製造研究項目，項目的研究團隊對太空望遠鏡進行了重新設計，並採用金屬3D列印技術製造瞭望遠鏡組件。根據ESA ，這款望遠鏡可以識別地球大氣中的臭氧和其他微量氣體。

增材製造太空望遠鏡組件樣件。來源：ESA

功能集成與減重

增材製造-3D列印望遠鏡項目由是由德國OHB系統牽頭開發的，成員還包括荷蘭TNO、荷蘭空間科學研究所SRON、德國Fraunhofer 製造技術和先進材料研究所，Materialise 等機構。

傳統設計的太空望遠鏡。來源：ESA

太空望遠鏡是一款高性能儀器，需要光學上極其精確地對準才能進行工作，識別大氣中痕量氣體的光譜指紋。

增材製造太空望遠鏡側面圖。來源：ESA

經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製造。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測（OMI）望遠鏡，這款望遠鏡重量為2.8公斤，而重新設計的3D列印望遠鏡重量為0.76公斤，減輕了73％，而測量質量沒有降低。

3D列印能夠用來創建複雜的幾何形狀，望遠鏡的重新設計正是利用了3D列印的優勢。相比原始設計，3D列印望遠鏡的零件功能得到了整合，例如在複雜內部結構中整合了多個擋板，以及能夠固定兩個反射鏡的組件。正因為如此，望遠鏡製造中所需的裝配工作減少了，同時還可以實現強大的頂級光學儀器的所有必要功能。

附著點。來源：ESA

在進行望遠鏡設計時，開發團隊使用了拓撲優化設計技術將材料放置在負載所在的位置，並得到了一系列優化結果，例如在原始設計中望遠鏡的六個支撐腿需要6個附著點，但優化後僅需要4個附著點。

帶增材製造組件的太空望遠鏡。來源：ESA

這是金屬增材製造技術在複雜光學器械製造中的首次嘗試，研究團隊通過開發和製造高要求的高精度望遠鏡組件清晰的展示了金屬3D列印技術在這個領域的優勢。即使在包括熱真空，正弦波以及隨機振動和衝擊測試在內的完整環境測試程序中，3D列印望遠鏡也完全符合相關的光學性能要求。

發射器或衛星支架等3D列印結構部件已經用於執行太空任務，3D列印望遠鏡項目的目標是製造要求更高的太空硬體，在技術上更加接近具有挑戰性的太空飛行硬體製造的目標。

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