一种基于3D打印的钛合金点阵式光机结构及其制备方法

技术领域

本发明属于航天光学遥感技术领域，涉及一种基于3D打印的钛合金点阵式光机结构及其制备方法。

背景技术

更轻质量、更小体积是空间光学遥感器的重要发展方向之一，从而也导致光机结构朝着比刚度越来越高、构型越来越复杂的方向发展。基于3d打印的钛合金光机结构由于成型效率高、成本低，具有较高的比刚度而得到较为广泛的应用。但是未见基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构在空间光学遥感领域的应用，这是因为该类结构尽管具有更加优异的性能，包括密度低、高刚度、高稳定性、适应复杂构型的优势，但是如何兼顾空间光学遥感领域应用所需要的高稳定性、高轻量化始终是一个难题。

基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构的难点在于一方面在设计上要确保结构的功能、性能和加工工艺性同时，利用3D打印的优势实现最大化的超轻量化制造，另一方面在于该类产品在空间光学遥感领域应用时的特殊处理工艺，包括点阵结构内应力的去除方法、多余物控制方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提一种基于3D打印的钛合金点阵式光机结构及其制备方法，实现空间光学遥感器的光机支撑结构快速、低成本、批产化研制。

本发明解决技术的方案是：一种基于3D打印的钛合金点阵式光机结构，该光机结构包括蜂窝点阵结构、蒙皮以及接口预埋实体；蜂窝点阵结构为盒形件，蜂窝点阵填充于盒形件内部，外表覆盖有蒙皮，接口预埋实体用于提供对外的连接接口。

优选地，所述蒙皮厚度为0.5mm～1mm。

优选地，所述3D打印的工艺选取三维Kagome单胞，晶胞杆系的直径为0.3～0.6mm。

优选地，所述预埋实体结构对外安装面在厚度方向预留3mm～5mm加工余量，孔径尺寸上单边预留3mm～5mm，深度方向底孔预留3mm～5mm。

优选地，3D打印时，所述蜂窝点阵结构中留有清粉孔，清粉孔的位置布置在蜂窝点阵结构的安装面上。

优选地，所述的蒙皮厚度、晶胞杆系的直径参数通过如下方法确定：

S1、采用有限元仿真软件，为蜂窝点阵、蒙皮和接口预埋实体建立有限元仿真与分析模型；

S2、通过有限元仿真，获得钛合金点阵式超轻光机结构的关键性能指标；所述关键性能指标包括约束模态、重力变形、过载以及温度变形；

S3、当钛合金点阵式超轻光机结构的关键性能指标满足预设要求时，结束，否则，对蒙皮厚度、晶胞杆系的直径参数进行优化调整，重复步骤S1～S3。

优选地，所述有限元仿真与分析模型的有限元节点连接采用共节点连接实现；所述蜂窝点阵采用beam单元建模，蒙皮和接口预埋实体采用三维实体法建模。

一种基于3D打印的钛合金点阵式光机结构的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

S2-1、采用3d打印的工艺将设计好的钛合金点阵式超轻光机结构进行打印；

S2-2、通过机械加工去除掉接口预埋实体对外安装面在厚度方向上预留的加工余量，得到设计需要的尺寸和形状位置公差，加工过程中采取3M胶带临时封堵清粉孔；

S2-3、采用机械加工对凸出的清粉孔进行加工，完成机械加工后对清粉孔做最终封堵；

S2-4、通过去应力退火与消应力振动试验相结合的方式去除3D打印的钛合金点阵式超轻光机结构的点阵结构打印产生的应力。

优选地，所述应力退火与消应力振动试验相结合的方式中，应力退火条件为700℃保温2小时；消应力振动试验按照钛合金点阵式超轻光机结构本体坐标系三个正交方向各开展1分钟总均方根为10grms的随机振动实现。

优选地，对清粉孔做最终封堵的方法为：

在清粉孔外部粘接两层K58326-3防灼锦丝绸布，在清粉孔外围一周均匀涂抹420环氧胶将K58326-3防灼锦丝绸布固定牢靠。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)、本发明所述的一种基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构形式，以蜂窝点阵、蒙皮、圆柱状接口预埋实体相结合的结构形式以及由该类结构衍生出的类似结构和产品；

(2)、本发明所述的一种基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构的参数及特征要素，可以在具备高度的轻量化的同时具有最佳的稳定性能和工程可实现性；

(3)、本发明所述的一种基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构应力去除方法及实现，采用去应力退火与消应力振动试验相结合可以一次性解决目前存在的3d打印钛合金点阵式结构残余应力导致的结构不稳定问题；

(4)、本发明所述的一种基于3d打印的钛合金点阵式超轻光机结构设计、分析及应用方法，提出的有限元建模和参数化优化方法，可以准确的评估结构的力热性能。

附图说明

图1为本发明实施例的一种基于3d打印的钛合金点阵式超轻结构示意图；

图2为本发明实施例的接口预埋实体结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种基于3D打印的钛合金点阵式超轻光机结构，该光机结构包括蜂窝点阵结构、蒙皮以及接口预埋实体；蜂窝点阵结构为盒形件，蜂窝点阵填充于盒形件内部，外表覆盖有蒙皮，接口预埋实体用于提供对外的连接接口。一般3D打印的结构上还设计有清粉孔。

考虑到3D打印成型过程中可能存在打印变形，结构的包络尺寸、凸台的预留加工量等因素，避免结构变形导致孔位偏离较大无法加工或尺寸包络超出允差，本发明需要确定3D打印结构的蒙皮参数、单胞类型及尺寸、预埋实体尺寸以及清粉孔的位置、数量等。

所述的蒙皮厚度、晶胞杆系的直径参数通过如下方法确定：

S1、采用有限元仿真软件，为蜂窝点阵、蒙皮和接口预埋实体建立有限元仿真与分析模型；所述有限元仿真软件为HyperMesh或Patran/Nastran软件。所述有限元仿真与分析模型的有限元节点连接采用共节点连接实现；网格类型选取上，采用混合单元建模法对结构进行有限元建模，所述蜂窝点阵采用beam单元建模，蒙皮和接口预埋实体采用三维实体法建模。

S2、通过有限元仿真，获得钛合金点阵式超轻光机结构的关键性能指标；所述关键性能指标包括约束模态、重力变形、过载以及温度变形；

考虑到光机结构的轻量化，所述蒙皮厚度为0.5mm～1mm。

所述3D打印的工艺选取三维Kagome单胞，晶胞杆系的直径为0.3～0.6mm。

如图2所示，接口预埋实体为圆柱体，接口安装的位置应打印成实体结构以便于后加工，一般所述预埋实体结构对外安装面在厚度方向预留3mm～5mm加工余量，孔径尺寸上单边预留3mm～5mm，深度方向底孔预留3mm～5mm。预留尺寸应考虑3D打印过程中的结构变形可能导致的孔位偏离，避免孔位无法加工出。上述参数设计应当考虑预埋打印实体尺寸以及蒙皮区域和点阵连接过渡的可靠性，必要时可以对局部点阵进行网格加密处理。

3D打印时，所述蜂窝点阵结构中留有清粉孔，清粉孔的位置布置在蜂窝点阵结构的安装面上。

本发明某一具体实施例中，分系统明确该结构的约束基频应大于100Hz、1g重力下结构的变形应当小于1μm、30g过载下材料的安全裕度应大于1，温度均匀变化2℃时结构最大变形小于2μm。

S3、当钛合金点阵式超轻光机结构的关键性能指标满足预设要求时，结束，否则，对蒙皮厚度、晶胞杆系的直径参数进行优化调整，重复步骤S1～S3。

本发明某一具体实施例中，蒙皮设计厚度为1mm<该厚度可以保证打印产品不会因为太薄而发生开裂，有限元分析时对不同的晶胞杆系直径参数分别开展约束模态分析，发现杆系直径Φ0.5mm即可满足约束基频大于100Hz，继续增大杆系直径会带来额外的重量增加，因此选定杆系直径Φ0.5mm。

本发明的另一个技术方案是：一种基于3D打印的钛合金点阵式超轻光机结构的制备方法，该方法包括如下步骤：

S2-1、采用3D打印的工艺将设计好的钛合金点阵式超轻光机结构进行打印；

S2-2、通过机械加工去除掉接口预埋实体对外安装面在厚度方向上预留的加工余量，得到设计需要的尺寸和形状位置公差，加工过程中采取3M胶带临时封堵清粉孔；

S2-3、采用机械加工对凸出的清粉孔进行加工，此处应避免使用切削冷却液，避免冷却液进入蜂窝点阵造成多余物污染，完成机械加工后对清粉孔做最终封堵，避免腔内多余物溢出。

对清粉孔做最终封堵的方法为：

在清粉孔外部粘接两层K58326-3防灼锦丝绸布，在清粉孔外围一周均匀涂抹420环氧胶将K58326-3防灼锦丝绸布固定牢靠。

如光机结构存在多个清粉孔，但清粉孔内部贯通，则可以仅用丝绸布封堵其中一个清粉孔，其余清粉孔可直接用420环氧胶封堵孔口。

S2-4、通过去应力退火与消应力振动试验相结合的方式去除3D打印的钛合金点阵式超轻光机结构的点阵结构打印产生的应力。

所述应力退火与消应力振动试验相结合的方式中，应力退火条件为700℃保温2小时；消应力振动试验按照钛合金点阵式超轻光机结构本体坐标系三个正交方向各开展1分钟总均方根为10grms的随机振动实现。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。