基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺制造技术

本发明专利技术公开了一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，包括以下步骤：a：分析获取SiC光学反射镜背面轻量化结构，并构建三维模型；b：3D打印机中进行分层处理，将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂、固化剂按照比例制成陶瓷浆料，通过3D打印机逐层打印烧结成截面薄层，获得SiC光学反射镜胚体，胚体背面轻量化结构直接打印成型；c：采用金刚石延性切削加工技术对SiC光学反射镜胚体正面进行超精密切削加工，获得具有高精度的加工表面；d．通过古典抛光进行镜面加工，最后得到高精度SiC光学反射镜。通过上述方式，本发明专利技术基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，能够缩短制备工序，节省制备时间，节省材料，提高了SiC光学反射镜的精度。

【技术实现步骤摘要】
基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺
本专利技术涉及光学反射镜领域，特别是涉及一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺。
技术介绍
光学反射镜是一种利用光学反射定律工作的光学元件，它是太空望远镜、地面望远镜、卫星、高能激光、激光雷达系统和高分辨率相机等系统的重要组成部分。光学反射镜通常分为镜面和镜体两个部分。镜面的作用是保证某一波段电磁波的透过或反射，要求镜面材料的热变形系数要小（热膨胀率小、热导率高）、比刚度要大（密度小、弹性模量大）、表面粗糙度要小；镜体的作用是支持和定位镜面，要求镜体材料的密度要小（质量轻）、口径要大、与镜面材料相匹配。碳化硅（SiliconCarbide,SiC）具有高比刚度、较好的热和化学稳定性、较低的热变形系数且耐空间粒子辐照，因此它成为现代光学系统所需高性能反射镜的首选材料。SiC光学反射镜在尺寸、面形和表面质量等关键指标主要由其设计、制备、加工及其表面改性等关键技术来决定。目前，制约SiC光学和反射镜制备的一个瓶颈就是其制备效率低下。获得反射镜毛胚后，通常需要对反射镜背面进行轻量化加工、正面进行研磨和抛光加工，工序复杂。并且研磨加工精度较低，导致后续的光学抛光加工效率低下。
技术实现思路
本专利技术主要解决的技术问题是提供一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，能够缩短制备工序，节省制备时间，节省材料，提高了SiC光学反射镜的精度。为解决上述技术问题，本专利技术采用的一个技术方案是：提供一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，包括以下步骤：a：通过开展有限元分析来获取优化的SiC光学反射镜背面轻量化结构图案，并构建三维模型；b：将步骤a中获得的三维模型转换后导入3D打印机中进行分层处理，将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂、固化剂按照比例制成陶瓷浆料，通过3D打印机逐层加压打印烧结成截面薄层，获得SiC光学反射镜胚体，胚体背面轻量化结构一次打印成型；c．将步骤b中制成的SiC光学反射镜胚体采用金刚石延性切削加工工艺对SiC光学反射镜胚体正面进行超精密切削加工，获得具有高精度的加工表面；d．将步骤c加工处理后的SiC光学反射镜胚体的正面通过古典抛光进行镜面加工，最后得到具有指定表面粗糙度和平面度的高精度SiC光学反射镜。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤a中通过有限元分析具有不同轻量化结构的SiC反射镜抛光过程中反射镜的接触应力参数来获取轻量化结构的最优结构设计。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤b中将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂按照质量份数（34-38）：（8-11）：（1-4）：（1-4）：1比例制成陶瓷浆料，然后采用激光3D打印机逐层加压打印烧结呈截面薄层，沉积率为2.3cc/分钟-3.4cc/分钟，打印过程中同时对陶瓷浆料施加180-225Mpa压力，最终得到密度大于98%的高纯度、高密度SiC胚体。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤b中将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂按照质量份数36:9:3:3:1比例制成陶瓷浆料，然后采用激光3D打印机逐层打印烧结呈截面薄层，沉积率为3cc/分钟，打印过程中同时对陶瓷浆料施加200Mpa压力，最终得到密度大于98%的高纯度、高密度SiC胚体。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤c中在超精密车床上进行，采用天然单晶金刚石刀具，对步骤b中制得的SiC光学反射镜胚体进行超精密金刚石切削加工。该车床最小位置分辨力为5nm，气浮主轴最高转速为5000rpm，刚度大于100N/µm，角分辨率小于0.001o，动平衡小于10nm，导轨直线度为0.2µm/200mm，定位精度0.8µm。SiC反射镜胚体正面的切削工艺参数为：气浮主轴转速为920-1050r/min，切削深度为485-520nm，切削速度为2.7-3.2m/min。单晶金刚石刀具具有-25°前角、10°后角，刀尖圆弧半径为1mm，刃口半径为100nm。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤c中在超精密车床上进行，采用天然单晶金刚石刀具，对步骤b中制得的SiC光学反射镜胚体进行超精密金刚石切削加工，该车床最小位置分辨力为5nm，气浮主轴转速为1000r/min，切削深度为500nm，切削速度为3m/min。单晶金刚石刀具具有-25°前角、10°后角，刀尖圆弧半径为1mm，刃口半径为100nm。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤d中通过金刚石悬浮抛光液和聚氨酯抛光垫，抛光盘转速为120-160r/min，抛光时间为135-160min。在本专利技术一个较佳实施例中，所述步骤d中通过金刚石悬浮抛光液和聚氨酯抛光垫，抛光盘转速为140r/min，抛光时间为150min。在本专利技术一个较佳实施例中，所述分散剂为聚乙二醇，所述消泡剂为正辛醇，所述固化剂为对甲苯磺酸。本专利技术的有益效果是：本专利技术基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，能够缩短制备工序，节省制备时间，节省材料，提高了SiC光学反射镜的精度。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：图1是本专利技术SiC光学反射镜一较佳实施例的正面结构示意图；图2是本专利技术SiC光学反射镜一较佳实施例的背面轻量化结构设计的示意图；图3是本专利技术SiC光学反射镜通的抛光过程中的接触压强表。具体实施方式下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，包括以下步骤：a：通过开展有限元分析来获取优化的SiC光学反射镜背面轻量化结构图案，并构建三维模型。采用基于有限元的计算机仿真分析不同轻量化结构的动静态特性、应力集中、强度校验等，获得最优的SiC光学反射镜背面轻量化结构，如图3所示，该图为化硅反射镜在抛光过程中的接触压强分布云图，以及沿着半径方向的接触压强变化趋势。根据接触应力分布均匀性来确定反射镜背面轻量化结构设计的优劣。在反射镜背面轻量化程度一定的情况下，接触压强越小、分布越均匀，反射镜的结构设计最优；b：将步骤a中获得的三维模型转换后获得STL格式文件导入3D打印机中进行分层处理，将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂按照质量份数36：9：3：3：1比例制成陶瓷浆料，分散剂为聚乙二醇，消泡剂为正辛醇，固化剂为对甲苯磺酸，然后采用激光3D打印机逐层加压打印烧结呈截面薄层，沉积率为3cc/分钟，打印过程中同时对陶瓷浆料施加200Mpa压力，最终得到密度大于98%的高纯度、高密度SiC胚体；打印获得的胚体背面轻量化结构一次打印成型，胚体正面粗糙度达到1µm，通过上述工艺可以获得相对于现有技术而言表面粗糙度更低的光学反射镜胚体，对提高后续加工的精度和效率更为有利。c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a：通过开展有限元分析获取SiC光学反射镜背面轻量化结构，并构建三维模型；b：将步骤a中获得的三维模型转换后导入3D打印机中进行分层处理，将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂、固化剂按照比例制成陶瓷浆料，通过3D打印机逐层加压打印烧结成截面薄层，获得SiC光学反射镜胚体，其中胚体背面轻量化结构一次打印成型；c．将步骤b中制成的SiC光学反射镜胚体采用金刚石延性切削加工工艺对SiC光学反射镜胚体正面进行超精密切削加工，获得具有高精度的加工表面；d．将步骤c加工处理后的SiC光学反射镜胚体的正面通过古典抛光进行镜面加工，最后得到具有指定表面粗糙度和平面度的高精度SiC光学反射镜。

【技术特征摘要】
2017.09.04 CN 20171078349491.一种基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：a：通过开展有限元分析获取SiC光学反射镜背面轻量化结构，并构建三维模型；b：将步骤a中获得的三维模型转换后导入3D打印机中进行分层处理，将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂、固化剂按照比例制成陶瓷浆料，通过3D打印机逐层加压打印烧结成截面薄层，获得SiC光学反射镜胚体，其中胚体背面轻量化结构一次打印成型；c．将步骤b中制成的SiC光学反射镜胚体采用金刚石延性切削加工工艺对SiC光学反射镜胚体正面进行超精密切削加工，获得具有高精度的加工表面；d．将步骤c加工处理后的SiC光学反射镜胚体的正面通过古典抛光进行镜面加工，最后得到具有指定表面粗糙度和平面度的高精度SiC光学反射镜。2.根据权利要求1所述的基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，其特征在于，所述步骤a中通过有限元分析具有不同轻量化结构的SiC反射镜抛光过程中反射镜的接触应力参数来获取轻量化结构的最优结构设计。3.根据权利要求1所述的基于3D打印和金刚石切削加工的SiC光学反射镜的制造工艺，其特征在于，所述步骤b中将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂按照质量份数（34-38）：（8-11）：（1-4）：（1-4）：1比例制成陶瓷浆料，然后采用激光3D打印机逐层打印烧结呈截面薄层，沉积率为2.3cc/分钟-3.4cc/分钟，打印过程中同时对陶瓷浆料施加180-225Mpa压力，最终得到密度大于98%的高纯度、高密度SiC胚体，打印获得的胚体背面轻量化结构一次打印成型，胚体正面粗糙度达到1µm。4.根据权利要求3所述的基于3D打印和金刚石切削制造的SiC光学反射镜的制造工艺，其特征在于，所述步骤b中将SiC陶瓷粉末、去离子水、分散剂、消泡剂和固化剂按照质量份数36:9:3:3:1比例制成陶瓷浆料，然后采用激光3D打印机逐层打印烧结呈截...

【专利技术属性】
技术研发人员：张俊杰，刘海鹰，孙涛，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，扬州霞光光电有限公司，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23