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3D打印+粉末冶金，打開碳化硅反射鏡輕量一體化制造大門

升華三維 2023-03-11 | 閱讀：621

▲空間望遠鏡（來源：網(wǎng)絡(luò)）

空間望遠鏡是人類研究探索宇宙的最重要和最直接的工具，它的發(fā)展關(guān)系到人類對宇宙研究的速度和進程，是人類發(fā)展進步，認(rèn)識自然界的一個重要科學(xué)手段。而空間反射鏡是空間望遠鏡的最重要組成部分，也是制約空間望遠鏡發(fā)展的一個關(guān)鍵因素。突破大口徑、高分辨率空間反射鏡的設(shè)計及制造，是解決空間望遠鏡技術(shù)的重大技術(shù)瓶頸問題、對促進我國空間科學(xué)事業(yè)的發(fā)展具有重大意義。

大口徑反射鏡制造，碳化硅備受青睞

反射鏡如此重要，該用什么材料來做呢？目前，反射鏡材料主要包括玻璃材料、低膨脹金屬材料、陶瓷材料以及復(fù)合材料等。玻璃材料是第一代反射鏡材料，常用的有ULE和Zerodur等。玻璃材料的熱膨脹系數(shù)很低，且光學(xué)加工性能優(yōu)良，但玻璃材料的熱導(dǎo)率低，比剛度較差。第二代反射鏡材料是低膨脹金屬材料，主要包括Al和Be等，金屬材料的導(dǎo)熱性能優(yōu)良，但熱膨脹系數(shù)相對較大，其面形精度容易受溫度影響。同時Al的比剛度低，而金屬Be雖然比剛度較高但有毒，對人體會產(chǎn)生致命損害，因此，在生產(chǎn)過程中需要有嚴(yán)格的安全措施。

碳化硅（SiC）材料屬于第三代反射鏡材料。該材料化學(xué)穩(wěn)定性好、耐空間粒子輻照性能優(yōu)異、熱膨脹系數(shù)低、彈性模量高，且具有較好的導(dǎo)熱性能。

▲常見反射鏡材料性能對比

從表中可以看出碳化硅材料具有最高的剛度，良好的導(dǎo)熱性，較低的線膨脹系數(shù)，這使得在實現(xiàn)同樣的光學(xué)口徑和精度要求下，碳化硅反射鏡具有更小的重量、更優(yōu)的熱穩(wěn)定性，且能制造大尺寸的鏡坯。而隨著碳化硅材料在鏡坯制造、改性、光學(xué)加工、鍍膜等完整的光學(xué)零件加工工藝方法上逐漸成熟，在大口徑的空間光學(xué)系統(tǒng)中尤為受到青睞。

碳化硅制造的局限性和難點

一般來說，空間反射鏡的口徑越大，成像效果越好，光學(xué)系統(tǒng)的整體質(zhì)量也會隨之增加。這也意味著發(fā)射成本及難度的上升。碳化硅作為性能優(yōu)異的結(jié)構(gòu)陶瓷材料，可制備成輕質(zhì)、高強度、高精度和高尺寸穩(wěn)定性的精密碳化硅陶瓷部件。傳統(tǒng)陶瓷成型工藝都需要借助事先制好的模具才能制備出具有一定形狀和強度的陶瓷部件，流程耗時長、成本高。而且SiC也是一種Si-C鍵很強的共價鍵化合物，具有硬度高和脆性大的特點，難以機械加工，傳統(tǒng)成型方法如注漿成型、等靜壓成型和擠出成型等，在大尺寸、輕量化、復(fù)雜結(jié)構(gòu)的碳化硅反射鏡成型方面具有一定的局限性。

▲傳統(tǒng)陶瓷成型與3D打印成型工藝特性對比

隨著光學(xué)元件孔徑的增大，碳化硅反射鏡與支撐結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計將導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，這是采用傳統(tǒng)的陶瓷成型燒結(jié)技術(shù)難以實現(xiàn)的。而相比于傳統(tǒng)的成型技術(shù)，3D打印技術(shù)具有智能、無模、精密、高復(fù)雜度的制造能力。它能夠完成傳統(tǒng)工藝不可能完成的制造。不過相對于塑料或金屬有固定的熔點，通過加熱融化后就可以進行粘貼。而碳化物陶瓷沒有熔點，如碳化硅會在高溫下氧化成二氧化硅，或者是其他的氣體、激光的作用下直接分解，導(dǎo)致無法直接3D打印，需打印出一個素坯再去燒結(jié)。

目前，大多數(shù)3D打印SiC陶瓷方法中打印材料固含量較低、硅含量較高、力學(xué)性能較低。如直接墨水書寫（DIW）的墨水中的固相含量太低，會導(dǎo)致陶瓷坯體致密度較低；激光打印在燒結(jié)過程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力難以避免產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致最終產(chǎn)品力學(xué)性能較差；而粘結(jié)劑噴射（BJP）限制了粉末填充密度，導(dǎo)致SiC體積分?jǐn)?shù)受限；立體光刻（SLA）雖然能夠制備出高強度、高精度、高結(jié)構(gòu)均一性和復(fù)雜性的陶瓷坯體，但由于碳化硅的吸光特性，導(dǎo)致其在制備碳化硅部件時仍存在諸多技術(shù)瓶頸。因此，在提高碳化硅陶瓷的加工效率、降低制備成本成為急需解決的問題。

PEP技術(shù)，打開碳化硅反射鏡輕量一體化制造大門

從碳化硅陶瓷的素坯成型工藝入手，并結(jié)合適宜的燒結(jié)工藝，使燒成的碳化硅陶瓷毛坯達到近凈成型，以減少后續(xù)加工量，并保證產(chǎn)品性能滿足使用要求，這將成為復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化硅陶瓷制備工藝的主要研究方向。升華三維通過國內(nèi)首創(chuàng)的粉末擠出打印技術(shù)（PEP）已實現(xiàn)直徑0.5米碳化硅反射鏡坯體的一體化制造，且成功將碳化硅陶瓷制備商業(yè)化，這為生產(chǎn)高性能碳化硅陶瓷構(gòu)件打開了大門。也為實現(xiàn)碳化硅陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的大尺寸、輕量化、一體化制備提供了新途徑。

▲UPS-556打印的碳化硅反射鏡坯體（來源：升華三維）

PEP技術(shù)是一種將“3D打印+粉末冶金”相結(jié)合的金屬/陶瓷間接3D打印技術(shù)。該工藝合理避開以激光為能量源的3D打印，采取材料擠出方式，由于擠壓噴頭系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，更好地縮減了投入成本。

在碳化硅反射鏡坯制備案例中，升華三維利用了該技術(shù)低溫成形，高溫成性的特點，將自主研發(fā)的碳化碳顆粒材料UPGM-SIC，通過3D打印成型系統(tǒng)實現(xiàn)了鏡坯的輕量化設(shè)計、一體化、大尺寸成型，打印出具有一定強度和密度的生坯。再結(jié)合陶瓷注射成型的脫脂燒結(jié)工藝，得到了致密度可高達99%，機械性能穩(wěn)定、近凈成型的鏡坯。因PEP技術(shù)將熱加工過程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，使得更容易管理熱應(yīng)力，熱量可以更均勻地被施加，確保其性能的一致性。

▲升華三維碳化硅陶瓷燒結(jié)件力學(xué)性能

在商業(yè)案例中，上海硅酸鹽研究所利用升華三維的大尺寸獨立雙噴嘴打印機UPS-556系統(tǒng)，藉由展開的高性能結(jié)構(gòu)陶瓷和陶瓷基復(fù)合材料等應(yīng)用的研究取得重大進展，成功制備了碳化硅陶瓷光學(xué)元件等高附加值組件，獲得廣泛關(guān)注。

▲上海硅酸鹽研究所利用UPS-556成功制備的碳化硅陶瓷光學(xué)元件及其性能（*相關(guān)資料及數(shù)據(jù)來自研究團隊已公開專利）

光學(xué)反射鏡的口徑越大，衍射效應(yīng)越小，意味著光的匯聚能力越強，分辨率就越高。大尺寸、輕量化碳化硅反射鏡的成功制備，可有力支撐國家遙感衛(wèi)星發(fā)展和空間基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，提升我國在遙感探測技術(shù)領(lǐng)域的核心競爭力。

升華三維作為中國金屬·陶瓷間接3D打印技術(shù)的開拓者和領(lǐng)航者，現(xiàn)已具備了碳化硅陶瓷復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件制備能力，并朝著超大尺寸、超輕量化方向積極探索。PEP工藝有望改變碳化硅反射鏡生產(chǎn)制造方式，滿足大尺寸、輕量化、一體化設(shè)計制造需求?？纱蠓档统杀?，縮短研發(fā)生產(chǎn)周期，在商業(yè)航天領(lǐng)域發(fā)展最快的遙感衛(wèi)星上有巨大市場空間。

升華三維將繼續(xù)堅持創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)碳化硅陶瓷復(fù)合材料等更多先進材料的研發(fā)與制造，通過前瞻布局新技術(shù)新產(chǎn)業(yè)，不斷挖掘技術(shù)潛力，積極投身中國空間事業(yè)發(fā)展中，為探索浩瀚太空注入新的力量。