《Sensors》：Additive Manufacturing of Lightweight Space Mirrors: A Review of Structural Design, Optical Fabrication, and Performance
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随着空间遥感技术不断向大口径、高分辨率方向发展，光学系统对反射镜的质量、比刚度（specific stiffness）及面形稳定性（surface figure stability）提出了日益严苛的要求。增材制造（additive manufacturing,
随着空间遥感技术不断向大口径、高分辨率方向发展，光学系统对反射镜的质量、比刚度（specific stiffness）及面形稳定性（surface figure stability）提出了日益严苛的要求。增材制造（additive manufacturing, AM）技术凭借其无与伦比的设计自由度，使得拓扑优化（topology optimization, TO）、点阵（lattice）及Voronoi结构等复杂构型的实体制造成为可能，从而突破了传统轻量化反射镜设计的局限。本综述首先介绍了AM空间反射镜的相关制造技术，并分析了适用于AM的金属与陶瓷材料特性，重点聚焦于应用最广泛的两类核心材料——AlSi10Mg与碳化硅（silicon carbide, SiC）——的优势与局限。随后，本综述按照结构类型学（structural typologies）对AM空间反射镜的研究现状进行了系统梳理。此外，深入探讨了实现高精度面形所必需的关键后处理技术，并总结了当前AM反射镜面临的主要挑战。最后，展望了AM反射镜的未来研究方向。
主体内容总结
1. 引言
空间遥感与航天技术的快速发展推动下一代空间光学系统向大口径、高分辨率与宽视场方向发展。反射镜作为系统的核心元件，其轻量化率、面形精度与热机械稳定性直接决定成像质量。传统轻量化反射镜主要依赖减材制造，受限于刀具可达性与加工余量，难以制造复杂内部蜂窝或闭式夹芯结构，限制了轻量化率的进一步提升，且在大口径、超薄面形条件下易产生残余应力释放与加工颤振。增材制造（AM）通过逐层沉积实现超越传统几何约束的复杂构型制造，包括拓扑优化（TO）、点阵与Voronoi结构，并支持单片式光机一体化设计，减少离散连接部件数量，显著提升系统热稳定性。然而，AM反射镜面临内部支撑结构引起的打印穿透效应（print-through effect）以及粉末烧结固有微观孔隙导致的散射加剧等独特挑战。
2. 空间反射镜AM技术原理
2.1 空间反射镜AM技术
根据美国材料与试验协会（ASTM）分类，AM工艺涵盖粘结剂喷射（BJT）、定向能量沉积（DED）、材料挤出（MEX）、材料喷射（MJT）、粉末床熔融（PBF）、薄片叠层（SHL）与光固化（VPP）七大类。光学反射镜制造中常用技术包括选区激光熔化（SLM）、选区激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）、数字光处理（DLP）与电子束熔化（EBM）。SLM利用高能激光选择性熔化金属粉末，通过熔池快速凝固形成致密金属结构，被认为是金属反射镜制造中最具前景的技术。EBM虽在真空环境加工高熔点材料方面具有优势，但成形件表面粗糙度较高且易产生内部孔隙。对于SiC等高性能陶瓷反射镜，制造主要依赖VPP、SLS、BJT与MEX四种工艺，主流路线为VPP成形生坯后结合反应熔渗（RMI）烧结。
2.2 反射镜材料
传统空间反射镜材料主要分为以SiC、微晶玻璃与熔石英为代表的非金属材料体系，以及以铝合金与铍合金为代表的金属材料体系。SiC兼具高导热率、低热膨胀系数（CTE）与高比刚度，被认为是空间光学系统最具前景的反射镜材料。AM反射镜材料需同时满足高比刚度、热稳定性及工艺可打印性要求，目前主要分为金属（如AlSi10Mg）与非金属（如SiC）两大类。AlSi10Mg经SLM成形后具有高相对密度与细晶微观组织，力学性能优于传统铸造铝合金，且经适当热处理后呈近各向同性。然而，受铝合金多晶结构与硅相分布限制，直接抛光仍会产生显著散射，通常需化学镀镍磷（NiP）非晶改性层以满足可见光波段表面要求。SiC凭借高比刚度与优异热稳定性受到广泛关注，但AM SiC构件在断裂韧性方面仍面临关键挑战。
2.3 AM反射镜技术路线
金属反射镜的AM工艺链涵盖光机设计优化、AM成形、应力消除与时效处理、热循环、单点金刚石车削（SPDT）、超精密抛光、镀膜与光学检测等关键环节。中波与长波红外（MWIR/LWIR）系统因工作波长较长而对表面粗糙度容忍度较高，SPDT直接加工表面即可满足要求；可见光与短波红外（VIS/SWIR）应用则需沉积NiP改性层并辅以超精密抛光。SiC反射镜的制造路线以SLA与RMI技术集成为核心，包括原料制备、增材制造、脱脂排胶、前驱体浸渗与高温烧结五个阶段。
3. 空间反射镜AM研究现状
3.1 基于传统轻量化结构的AM反射镜
传统轻量化反射镜可分为拱形、开放式背面与夹芯式三类构型。轻量化孔格通常采用三角形、六边形或矩形几何形状。2015年Corning公司利用直接金属激光烧结（DMLS）工艺制造了蜂窝轻量化结构铝反射镜。Sweeney等人提出了内部填充三角形肋条的夹芯反射镜设计。Hilpert等人对比评估了钻孔式、开放式蜂窝与夹芯蜂窝反射镜，结果表明夹芯蜂窝结构在轻量化率、刚度与稳定性方面最优。Tan等人利用SLM制造了闭式背面AlSi10Mg红外光学系统反射镜，减重43.7%，六个月存储后测得面形误差RMS为58.85 nm。Zhang等人提出了单片集成主镜与三镜的复合闭式背面反射镜设计，经SPDT、表面改性与抛光后，三镜与主镜面形精度分别达到57 nm与64 nm（RMS）。
3.2 基于拓扑优化技术的AM反射镜
拓扑优化（TO）是在给定设计域内确定材料最优空间分布的结构优化方法。基于密度的SIMP（Solid Isotropic Material with Penalization）模型是连续体TO中广泛采用的插值方案。Liu等人将参数化Heaviside函数引入TO过程以表征肋高，成功设计了具有树状加强肋与双向多拱背板的2 m口径SiC反射镜，有限元分析（FEA）预测面形变形RMS为12.55 nm。Herzog等人以最小化表面位移为优化目标，设计了顶部安装与侧面安装两种构型，分别采用DMLS与EBM工艺制造铝合金与钛合金反射镜毛坯。Fan等人完成了260 mm口径空间遥感相机主镜的TO设计，经SLM制造与SPDT加工后实测面形误差RMS为25.94 nm。Yan等人将AM与TO协同应用于AlSi10Mg主镜组件的单片式设计与制造，组件总质量仅36.3 g。Shen等人设计了面向同轴四镜系统的双面SiC反射镜，有效缓解了TO非均匀肋分布引起的打印穿透效应。
3.3 基于点阵结构的AM反射镜
点阵结构通常由交叉杆件或条带构成，常见拓扑类型包括体心立方（BCC）与面心立方（FCC）等单胞。超轻点阵构型可实现超过85%的轻量化率。Atkins等人将点阵结构与TO相结合，通过从点阵中减去菱形十二面体的缩放体积实现轻量化，轻量化率达49.1%。Snell等人提出了基于柱坐标系的环形点阵结构，应用于72 mm直径反射镜实现37%减重。Zhang等人以点阵杆件截面积为优化目标，采用移动等值面阈值（MIST）TO方法优化点阵相对密度分布。Liu等人设计制造了双层桁架结构方形闭式背面金属反射镜，轻量化率达85%，实测面形误差RMS为17.72 nm。Tan等人提出了面向循环热环境的纯铝改性层方案，成功制造150 mm口径非球面AlSi10Mg反射镜，经表面改性与光学冷加工后面形误差RMS约12 nm。传统点阵结构在杆件交叉处易产生局部应力集中，且变密度点阵呈离散阶梯式分布，难以满足高端光学反射镜对连续梯度填充结构的要求。
3.4 基于TPMS技术的AM反射镜
三周期极小曲面（TPMS）是由隐式函数描述的具有零平均曲率的光滑全连通周期性多孔壳状结构。TPMS单胞的几何光滑性可显著缓解应力集中，且具有自支撑特性，无需额外支撑结构。Liu等人基于网络型TPMS架构提出了密度梯度、异质结构梯度与单胞尺寸梯度三种梯度模式。Horvath与Davies将TO、点阵填充与分析估计方法协同，发现片状金刚石TPMS点阵结构具有优异刚度，并将其应用于SiC轻量化反射镜设计。Zeng等人基于均匀化性能模型提出TPMS结构优化设计方法，设计了400 mm口径SiC反射镜，减重约70%，FEA预测室温下面形变形RMS低于20 nm。Aziz等人采用TPMS Split-P圆柱单胞点阵映射架构设计了CubeSat相机主镜，轻量化率达56%。TPMS的复杂内部微通道显著增加了未熔粉末清除难度，且致密化后处理易恶化基体表面粗糙度并加剧光学散射。
3.5 基于Voronoi构型的AM反射镜
Voronoi图由相邻控制点连线的垂直平分线划分的连续多边形镶嵌构成。基于空间维度，Voronoi反射镜主要分为2.5D与3D构型，3D结构又可分为开孔与闭孔两类。Zhang等人将TO方法与2.5D-Voronoi及闭孔3D-Voronoi反射镜设计相结合，与传统蜂窝构型相比，一阶模态频率分别提升20%与25%，载荷诱导面形变形分别降低23%与34%。Heidler等人与Hilpert等人均采用夹芯结构设计，在内部肋与外侧面壁设置粉末清除孔。Zhang等人完成了288 mm口径2.5D-Voronoi金属反射镜设计，轻量化率达71.12%。Chen等人提出了基于Voronoi单胞的高比刚度铝合金反射镜仿生TO设计方法。Mici等人利用Lloyd算法在反射镜内部生成1000个种子点的开孔3D Voronoi结构并进行TO。当前Voronoi设计仍主要局限于2.5D挤出构型，3D空间拓扑潜力尚未充分挖掘，闭孔构型的粉末排出问题亟待解决。
3.6 AM反射镜性能总结
仿真研究涵盖SiC与AlSi10Mg两类主流材料体系，设计口径从120 mm扩展至510 mm。物理制造已从50 mm级工程样件突破至500 mm级大口径SiC反射镜基体。除广泛应用的化学镀NiP外，金涂层与改性铝层等表面改性策略已被积极探索。已制造反射镜的轻量化率最高达85%。数值预测的优异结构性能并不必然转化为最终光学表面质量，后者还受工艺缺陷、残余应力、加工、表面改性、抛光与测量条件等因素影响。
4. 后处理技术
4.1 致密化与热处理
内部缺陷是影响AM反射镜结构稳定性的关键因素。金属反射镜内部异常主要包括未熔合（LoF）、匙孔（KH）与气体截留气泡（GB）；SiC陶瓷反射镜内部缺陷还包括微裂纹、残余未反应硅与碳颗粒。热等静压（HIP）通过高温与等静压联合作用显著降低内部孔隙率并提高材料密度，但会促进金属反射镜中硅析出物形成，导致表面粗糙度增加。机械喷丸通过机械冲击诱导表面剧烈塑性变形以提高致密化程度。SiC反射镜主要依靠反应熔渗（RMI）实现结构致密化。X射线计算机断层扫描（XCT）已成为评估AM构件内部缺陷的金标准。热处理是消除残余应力的有效手段，主要包括常规热处理、深冷处理与热循环处理。
4.2 SPDT与超精密抛光
SPDT是AM金属反射镜的核心精密成形工艺，可有效消除打印表面"阶梯效应"并实现高精度初始面形，但会残留周期性刀具痕迹，需通过后续超精密抛光消除。离子束抛光（IBF）利用高能离子束溅射效应实现高精度确定性修形，具有无机械接触、去除确定性高、无抛光杂质引入等优势。磁流变抛光（MRF）利用磁流变液在磁场作用下瞬时固化形成柔性抛光工具，在极低正压力下通过流体动力剪切去除材料，几乎不引入亚表面损伤（SSD）。Du等人提出离子束溅射（IBS）与平滑抛光（SP）相结合的混合工艺消除SPDT刀具痕迹，最终实现粗糙度3.7 nm的超光滑无痕表面。Bai等人提出MRF与化学机械抛光（CMP）联合抛光策略，将铝反射镜面形误差从63.28 nm降至15.19 nm，表面粗糙度从3.6 nm降至1.38 nm。激光抛光作为一种新型表面光整技术，利用激光束重熔反射镜表面，在重力协同作用下形成更光滑轮廓。
