大约是一根头发丝直径的万分之一。

而56%的减重，意味着相比实心等效结构实现了大幅轻量化。

单独看这两个数字都不算特别震撼，但当它们同时出现在一块航天光学镜面上时，意义就完全不同了。

在传统制造思维里，这几乎是不可能完成的任务。

要精度就得厚重，要轻量化就得牺牲性能，这是光学制造业延续了几十年的铁律。

但英国皇家天文台技术中心联合多家机构刚刚发布的研究成果，用一套3D打印+算法优化的组合拳，破了游戏规则。

更关键的是，这次技术突破的应用场景是CubeSat，那种紧凑的立方体卫星平台。

从最初的概念设计（图2）到最终镀膜完成的工程样机（图35），整个项目展现的是一条从理论到工程化的完整技术路径。

最终实现了56%的系统级减重，同时表面粗糙度控制在8纳米RMS以下，非HIP样品甚至达到4.9纳米RMS的优异表现。

CubeSat：航天界的积木

在深入技术细节之前，我们先搞清楚CubeSat到底是什么东西。

简单说，CubeSat就是立方体卫星，是航天界标准化的积木。

基本规格很简单：1U（一个单位）就是10cm×10cm×10cm的立方体，重量不超过1.33公斤。

想要更大的载荷能力？可以组合成2U（10×10×20cm）或3U（10×10×30cm），就像搭积木一样。

这次研究的镜面就是为3U CubeSat设计的，整个卫星大概鞋盒那么大。

CubeSat最大的优势在于成本。

传统大卫星发射可能花费几千万到几亿美元，而CubeSat搭载发射只需要额外5-10万美元。

更重要的是标准化带来的模块化优势。卫星的各个子系统可以从不同供应商购买现成产品，按需组装，就像组装电脑一样。

正是因为CubeSat平台的空间限制和重量预算紧张，才让这次的镜面减重技术显得如此重要。

每克重量都很宝贵。

核心亮点一：从传统减重到拓扑革命

传统的镜面轻量化就那么几招：轮廓背面、开放背面、夹层结构（图6）。

说白了，就是能挖洞的地方挖个洞，能做薄的地方做薄点。

但这些方法的减重潜力相当有限，而且一不小心就会影响结构刚性。

增材制造彻底改变了游戏规则。

从晶格筛选流程（图1）可以看出，他们系统性评估了从简单立方到复杂TPMS结构的各种选项，最终锁定了Split-P结构。

AM易道认为，这个选择的背后体现了从经验驱动向数据驱动设计理念的根本转变。

更巧妙的是三阶段设计流程（图5）：晶格筛选、安装优化、场驱动设计。

这种模块化思路不仅提升了设计效率，更重要的是建立了可复制的优化方法论。

核心亮点二：场驱动设计的算法智能

传统设计师大概会懵圈—什么叫场驱动设计？

简单说，就是让算法根据受力情况自动调整结构厚度，哪里应力大就加厚一点，哪里应力小就薄一点。

图13展示了四种场驱动策略的效果对比：体积应力、表面应力、体积位移、表面位移。

从剖面图可以清楚看到，算法在高应力区域自动增厚了壁厚。

最终数据很给力—表面应力驱动的设计将表面变形降低到了均匀设计的64%。

AM易道认为，这种智能化的结构优化代表了设计工具的发展方向。

以前靠设计师的经验和直觉，现在靠算法的精确计算，效率和精度都有质的提升。

核心亮点三：AM设计约束的工程化考量

纸上谈兵容易，实际制造就是另一回事了。团队在设计阶段就充分考虑了AM工艺的各种约束。

图4展示了典型的悬垂设计问题—红色区域的悬垂角度太大，要么加支撑，要么改设计。

对于复杂晶格结构，内部支撑几乎无法去除，这就倒逼设计师必须在几何优化时考虑打印方向。团队选择暴露晶格面朝上的打印方向，就是基于这种工程化考量。

从制造到加工的设计思维同样值得关注。

图17对比了打印态和机加工后的设计差异，图18标出了需要机加工的表面。这种预留加工余量的设计思路体现了AM与传统工艺的深度融合。

核心亮点四：单点金刚石车削的精密收尾

光有好的内部结构还不够，表面质量才是光学器件的生命线。

图20展示了SPDT加工的实际场景—镜面安装在Nanotech 250UPL超精密车床上进行最终加工。

这个过程的参数控制相当严格：2000转/分转速，先10微米粗切，再0.5微米精切。

关键是还要做动平衡，通过12颗螺钉调整来最小化高速旋转的振动。

从实际效果看，SPDT成功克服了3D打印表面的固有粗糙度，将表面质量提升到了光学级别。

这种混合制造工艺将成为高端应用的标配—3D打印负责复杂几何，传统加工负责精密表面。

核心亮点五：XCT透视的缺陷规律发现

内部缺陷看不见摸不着，但影响性能是实实在在的。团队用X射线CT深度分析了缺陷分布规律。

为了获得足够的扫描精度，他们采用分段扫描策略（图24），将体素尺寸从62微米降低到18-21微米。

最有价值的发现来自气孔分布统计（图25、图26）。

数据显示，气孔主要集中在激光扫描路径的转向点，呈现明显的钻石形分布模式。这种定量化的缺陷分析为工艺优化提供了明确方向。

虚拟XCT仿真的应用（图22、图23）也很有意思，通过预先仿真来优化扫描参数，这种数字化工具的应用体现了科研方法的系统化。

核心亮点六：HIP处理的技术权衡

热等静压处理在增材行业是个老话题，但这个项目的研究深度让人印象深刻。

高倍SEM成像（图31）清晰展示了HIP前后的微观结构差异：非HIP样品Al-Si分布均匀，HIP后出现明显的硅析出颗粒。

这个微观变化直接影响宏观性能。表面粗糙度测试数据显示，HIP样品的平均粗糙度达到7.2纳米RMS，而非HIP样品为4.9纳米RMS。

研究团队发现HIP会导致硅析出，这些硅颗粒在金刚石车削过程中会回弹，造成表面粗糙度增加。

AM易道认为，这就是典型的工程权衡问题。HIP的好处是减少内部气孔，提高结构完整性；HIP的代价是增加表面粗糙度，降低光学性能。

对于红外波段应用，非HIP路线的低散射特性更有价值，表面质量更优；

对于要求高结构完整性的深空任务，HIP带来的性能损失或许是可以接受的。关键是要根据具体应用场景做选择。

核心亮点七：制造环境污染的意外发现

最意外的发现来自SEM的能谱分析。在划痕起始点检出了钛钒合金夹杂物（图28），成分指向Ti6Al4V。

这个发现很重要—它揭示了设备交叉污染的风险。

这些硬质夹杂物在金刚石车削过程中被刀具拖拽，形成了表面划痕。

从工艺控制角度，这提醒我们航天级光学器件制造中设备专用化或彻底清洁的重要性。

光学性能的工程化评估

总积分散射计算结果（图34）为实际应用提供了量化参考。

HIP样品在可见光波段散射率超过1%，非HIP样品在750nm以上可控制在1%以内。

这个数据对任务规划具有直接指导意义。配合表面形貌的直观对比（图33），工程师可以根据具体波段需求做出合理选择。

重新定义航天光学制造的边界

回到开头的两个数字：8纳米精度和56%减重。

在传统制造思维里，这两个指标几乎是不可调和的矛盾。精度要求高就得厚重，轻量化就要牺牲性能。

但这个英国团队用一套组合拳彻底打破了这种固化思维。最终的镀膜样品（图35）不仅验证了技术可行性，更重要的是展示了一条可复制的工程化路径。

大多数AM镜面项目处于TRL 3-4级别，这个项目通过完整的制造-测试-评估流程，向成熟度TRL 5迈进，距离实际应用又近了一步。

鱼与熊掌，终于可以兼得。

在那个97mm×97mm的紧凑空间里，卫星专家们不再需要在轻量化和光学性能之间痛苦纠结。

Split-P晶格结构承担了减重任务，金刚石车削保证了表面精度，两种工艺各司其职，共同实现了看似不可能的性能平衡。

而这，正是3D打印创新每天在上演的常规操作。

寻找AM易道兼职编辑，5年以上3D打印行业经验，不限专业领域，收入模式零活。期待与有深度思考能力、文字能力和创作兴趣的小伙伴合作，共同打造优质内容。有意者请加yihanzhong投递简历及代表作品。