CN104608382B - 一种面向微重力环境的太空舱内3d打印装置 - Google Patents

Abstract

一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，包括打印机，打印机外部为功能复合封闭式壳体，功能复合封闭式壳体内打印机的出气孔与温度控制装置进气孔，气氛与温度控制装置的出气孔连接功能复合封闭式壳体内打印机的进气孔，打印机的功能复合封闭式壳体与减振平台连接，减振平台上连接有打印平台；功能复合封闭式壳体内面含有能够保证壳体内温度场稳定的保温层，保温层外是屏蔽打印过程产生噪音的减噪层，减噪层外是防止打印机与外界相互电磁干扰的电磁屏蔽层以及保证机器强度的保护层，本发明适应太空微重力环境以及保证与宇航平台的匹配性，实现太空制造。

Description

一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置。

背景技术

随着宇航技术的发展，“太空制造”的概念与实现方法，也在逐渐发展与完善。“太空制造”是指可以实现对宇航器、空间站、外星基地等里的易损易耗件、备品备件、专用工具、微型人造卫星、雷达以及太阳能接收板等零部件的按需在轨快速制造。而“太空制造”最大的影响因素就是微重力环境，微重力环境是指在失重的作用下，系统的表观重量远小于其实际重量的环境。在微重力环境下，由密度差异引起的沉降现象和重力引起的对流将几乎消失，材料的凝固结晶过程也将有所不同，气体的热对流将会失效，机械设备的工作也会在失重的状态下。因此，考虑如何在微重力环境下进行零件制造是一个核心的问题。3D打印技术又称增材制造技术，是指通过可以“打印”出真实物体的3D打印机，采用分层加工、累加成形的方式逐层增加材料来生成3D实体。3D打印技术最突出的优点是无需机械加工或模具，就能直接从计算机图形数据中生成任何形状的物体，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产率和降低生产成本。

由此可见，3D打印技术很好地适合于微重力环境下的零件制造，但由于空间环境微重力的特殊性，对3D打印材料及工艺提出了诸多限制，而且考虑到太空环境中使用装备在节能、减重等方面的因素，对于3D打印工艺的与宇航平台相匹配性、低功耗也有要求。然而，国内外在太空3D打印领域的研究极少，属于技术空白领域。太空舱内3D打印存在以下几个关键问题：

1)现有3D打印设备结构设计及强度不能满足推进发射、太空环境的要求；

2)现有的3D打印方法与宇航平台的不匹配性，如热量控制、气体控制、工作功率要求、安全性等；

2)目前的3D打印技术并未考虑到微重力环境的影响，而微重力环境将会影响3D打印的热过程、熔体流动过程、熔体结晶过程、打印机硬件结构以及打印件的打印精度、力学性能等。

发明内容

为了克服现有3D打印方法的缺点，本发明的目的在于提供一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，可以很好地适应太空微重力环境以及保证与宇航平台的匹配性，从而实现太空制造。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，包括打印机20，打印机20外部为功能复合封闭式壳体1，功能复合封闭式壳体1内打印机20的出气孔通过导气软管19连接气氛与温度控制装置8进气孔，将打印机20内气体通过导气软管19送入到气氛与温度控制装置8中，气氛与温度控制装置8的出气孔通过导气软管19连接功能复合封闭式壳体1内打印机20的进气孔，气氛与温度控制装置8进行对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机20内，打印机20的功能复合封闭式壳体1与减振平台7连接，减振平台7上连接有打印平台6；

所述功能复合封闭式壳体1，其内面含有能够保证壳体内温度场稳定的保温层2，保温层2外是屏蔽打印过程产生噪音的减噪层3，减噪层3外是防止打印机20与外界相互电磁干扰的电磁屏蔽层4，电磁屏蔽层4外是以及保证机器强度的保护层5。

所述的打印平台6是XYZ型三维工作平台21或多自由度机械手臂平台22，XYZ型三维工作平台21采用X轴9、Y轴10与Z轴11连接组成的三维运动机构，带动打印头12在基板13进行3D打印；多自由度机械手臂平台22采用多自由度机械手臂14夹持打印头12实现在基板13的3D打印；打印头12上连接压力传感器15，压力传感器15通过数据线16连接中央处理器17，中央处理器17通过数据线16连接基板调平装置18，基板13连接在基板调平装置18上，基板调平装置18连接在减振平台7上。

所述的一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：

1)首先，在3D打印工作之前，先关闭功能复合封闭式壳体1，然后，开启气氛与温度控制装置8，在工作过程中，功能复合封闭式壳体1的出气孔将打印机20内气体通过导气软管19送入到气氛与温度控制装置8中，气氛与温度控制装置8对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机20内，该过程形成的气体强制对流过程可以保证微重力环境下打印机内部均匀的温度与气氛环境；

2)在以上所形成的打印环境下，打印机20内的打印平台6开始进行打印工作；

3)在打印工作刚开始时，压力传感器15通过实时检测打印头12与基板13上的压力值输入到中央处理器17，中央处理器17通过分析比较输出相对应的命令控制基板调平装置18进行运动，使打印头12与基板13间的压力达到设定值，实现基板13的自动调平；

4)然后，在整个打印过程中，打印平台6根据三维模型数据信息进行模型的3D打印，期间，中央处理器17根据压力传感器15的信号，实时自适应生成工艺参数，控制打印头12与打印平台6的实时运动，从而控制零件的缺陷，增强零件层与层之间的结合强度；

5)打印平台6与功能复合封闭式壳体1实现分离式连接，打印机20工作过程中通过减振平台7的阻尼作用使打印机20产生的振动被消除掉。

本发明的3D打印装置打印机外壳采用多材料功能复合封闭式壳体1，其中包括保温层2、减噪层3、电磁屏蔽层4、保护层5来保证打印机运行的安全性；采用运动机构与外壳分离式弹性连接，减小运动振动干扰，保证打印过程的稳定性；采用气氛与温度控制装置8，过滤净化打印产生的气体并通过强制对流方式控制打印时的整体温度场，从而保护宇航平台气氛，以及避免在微重力环境下的无气体对流现象；采用半闭环压力传感控制装置，进行打印平台的调平和缺陷的控制。综上所述，本发明很好地适应太空微重力环境以及保证与宇航平台的匹配性，从而实现太空制造，具有很高的科学价值与应用价值。

附图说明

图1是本发明打印机20的整体结构示意图。

图2是本发明功能复合封闭式壳体1结构示意图。

图3是XYZ型三维工作平台21结构示意图。

图4是多自由度机械手臂平台22结构示意图。

图5是自动调平功能示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，包括打印机20，打印机20外部为功能复合封闭式壳体1，功能复合封闭式壳体1内打印机20的出气孔通过导气软管19连接气氛与温度控制装置8进气孔，将打印机20内气体通过导气软管19送入到气氛与温度控制装置8中，气氛与温度控制装置8的出气孔通过导气软管19连接功能复合封闭式壳体1内打印机20的进气孔，气氛与温度控制装置8进行对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机20内，该过程形成的气体强制对流过程保证微重力环境下打印机内部均匀的温度与气氛环境，打印机20的功能复合封闭式壳体1与减振平台7连接，减振平台7上连接有打印平台6；

参照图2，所述功能复合封闭式壳体1，其内面含有能够保证壳体内温度场稳定的保温层2，保温层2外是屏蔽打印过程产生噪音的减噪层3，减噪层3外是防止打印机20与外界相互电磁干扰的电磁屏蔽层4，电磁屏蔽层4外是以及保证机器强度的保护层5，从而营造一个安全、稳定的打印环境，保证与太空舱的匹配性与安全性；

所述的打印平台6，是XYZ型三维工作平台21或多自由度机械手臂平台22，参照图3，XYZ型三维工作平台21采用X轴9、Y轴10与Z轴11连接组成的三维运动机构，带动打印头12在基板13进行3D打印；参照图4，多自由度机械手臂平台22采用多自由度机械手臂14夹持打印头12实现在基板13的3D打印；参照图5，打印头12上连接压力传感器15，压力传感器15实时检测打印头12与基板13上的压力值，压力传感器15通过数据线16连接中央处理器17，中央处理器17通过数据线16连接基板调平装置18，基板13连接在基板调平装置18上，基板调平装置18连接在减振平台7上，中央处理器17控制基板调平装置18进行自动调平运动，进而带动基板13进行相应运动。

所述的一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：

1)首先，在3D打印工作之前，先关闭功能复合封闭式壳体1，然后，开启气氛与温度控制装置8，在工作过程中，功能复合封闭式壳体1的出气孔将打印机20内气体通过导气软管19送入到气氛与温度控制装置8中，气氛与温度控制装置8进行对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机20内，该过程形成的气体强制对流过程可以保证微重力环境下打印机内部均匀的温度与气氛环境；

2)在以上所形成的打印环境下，打印机20内的打印平台6开始进行打印工作；

3)在打印工作刚开始时，压力传感器15通过实时检测打印头12与基板13上的压力值输入到中央处理器17，中央处理器17通过分析比较输出相对应的命令控制基板调平装置18进行运动，使打印头12与基板13间的压力达到设定值，实现基板13的自动调平；

4)然后，在整个打印过程中，打印平台6根据三维模型数据信息进行模型的3D打印，期间，中央处理器17根据压力传感器15的信号，实时自适应生成工艺参数，控制打印头12与打印平台6的实时运动，从而控制零件的缺陷，增强零件层与层之间的结合强度；

5)打印平台6与功能复合封闭式壳体1实现分离式连接，打印机20工作过程中通过减振平台7的阻尼作用使打印机20产生的振动被消除掉。

Claims (3)

1.一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，包括打印机(20)，其特征在于：打印机(20)外部为功能复合封闭式壳体(1)，功能复合封闭式壳体(1)内打印机(20)的出气孔通过导气软管(19)连接气氛与温度控制装置(8)进气孔，将打印机(20)内气体通过导气软管(19)送入到气氛与温度控制装置(8)中，气氛与温度控制装置(8)的出气孔通过导气软管(19)连接功能复合封闭式壳体(1)内打印机(20)的进气孔，气氛与温度控制装置(8)进行对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机(20)内，打印机(20)的功能复合封闭式壳体(1)与减振平台(7)连接，减振平台(7)上连接有打印平台(6)；

所述功能复合封闭式壳体(1)，其内面含有能够保证壳体内温度场稳定的保温层(2)，保温层(2)外是屏蔽打印过程产生噪音的减噪层(3)，减噪层(3)外是防止打印机(20)与外界相互电磁干扰的电磁屏蔽层(4)，电磁屏蔽层(4)外是以及保证机器强度的保护层(5)。

2.根据权利要求1所述的一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置，其特征在于：所述的打印平台(6)是XYZ型三维工作平台(21)或多自由度机械手臂平台(22)，XYZ型三维工作平台(21)采用X轴(9)、Y轴(10)与Z轴(11)连接组成的三维运动机构，带动打印头(12)在基板(13)进行3D打印；多自由度机械手臂平台(22)采用多自由度机械手臂(14)夹持打印头(12)实现在基板(13)的3D打印；打印头(12)上连接压力传感器(15)，压力传感器(15)通过数据线(16)连接中央处理器(17)，中央处理器(17)通过数据线(16)连接基板调平装置(18)，基板(13)连接在基板调平装置(18)上，基板调平装置(18)连接在减振平台(7)上。

3.根据权利要求1所述的一种面向微重力环境的太空舱内3D打印装置的打印方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)首先，在3D打印工作之前，先关闭功能复合封闭式壳体(1)，然后，开启气氛与温度控制装置(8)，在工作过程中，功能复合封闭式壳体(1)的出气孔将打印机(20)内气体通过导气软管(19)送入到气氛与温度控制装置(8)中，气氛与温度控制装置(8)进行对气体的过滤净化与气体的温度控制，再送入到打印机(20)内，该过程形成的气体强制对流过程可以保证微重力环境下打印机内部均匀的温度与气氛环境；

2)在以上所形成的打印环境下，打印机(20)内的打印平台(6)开始进行打印工作；

3)在打印工作刚开始时，压力传感器(15)通过实时检测打印头(12)与基板(13)上的压力值输入到中央处理器(17)，中央处理器(17)通过分析比较输出相对应的命令控制基板调平装置(18)进行运动，使打印头(12)与基板(13)间的压力达到设定值，实现基板(13)的自动调平；

4)然后，在整个打印过程中，打印平台(6)根据三维模型数据信息进行模型的3D打印，期间，中央处理器(17)根据压力传感器(15)的信号，实时自适应生成工艺参数，控制打印头(12)与打印平台(6)的实时运动，从而控制零件的缺陷，增强零件层与层之间的结合强度；

5)打印平台(6)与功能复合封闭式壳体(1)实现分离式连接，打印机(20)工作过程中通过减振平台(7)的阻尼作用使打印机(20)产生的振动被消除掉。