CN105172134A - 太空环境下的3d打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于太空环境下的3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法。本发明是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水,然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。本发明解决了微重力的太空环境下的3D打印问题；可以用于太空环境下的3D打印。

Description

太空环境下的3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法

技术领域

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于太空环境下的3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法。

背景技术

3D打印，即快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，以累积制造技术成型。3D打印优势在于：制造复杂物品不增加成本，可以打印太空飞船中所需的复杂零部件；是一种加式制造，比传统制造节省材料，飞船零件的打印材料最小化；精确的实体复制，可以扫描、编辑和复制实体对象，创建精确的副本或优化原件；材料众多，常用材料有PLA、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料，并可将材料无限组合。3D打印的这些优势运用在太空中可将其优势最大化。例如：3D打印的个性化制造和经济性可减少飞船自带备用零部件，降低飞船成本，把更多成本用在其他方面。飞船自身拥有制造能力，也对太空长期任务(如探寻其它星球)有开创性作用，使宇航员在太空中有更大程度的自主权和灵活性。目前飞船尚未能拥有制造能力的问题，使得飞船必须自带大量备用零部件，宇航员在太空中缺乏更大程度的自主权和灵活性。

传统FDM3D打印机的工作原理是将低熔点丝状材料通过送丝机构送到加热器，加热熔化成液体，通过喷头挤出，层层叠加，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。但是传统的3D打印机工作在地球上，地球重力可以保证熔融材料从喷头中挤出且不需要密封条件。而在太空上原有的重力条件变成了微重力状态，因而我们需要在喷头产生一定的压力让材料能够从喷头中挤出并配合喷洒胶水成型。为了保证宇航员的健康和仪器的正常使用，太空3D打印技术需要在密封条件下工作，达到为太空探索的航空器件提供备用零件的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题之一在于提供一种太空环境下的3D打印实现方法，实现太空微重力环境下的3D打印。

本发明解决的技术问题之二在于提供一种太空环境下的3D打印系统，实现太空微重力环境下的3D打印。

本发明解决的技术问题之三在于提供一种太空环境下的3D打印系统的喷丝流量控制方法，以实现3D打印机在太空中的打印能力，最终有效解决飞船制造能力的问题。

本发明解决上述技术问题之一的技术方案是：

所述的方法是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水，然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。

所述的成型过程全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

本发明解决上述技术问题之二的技术方案是：

所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性胶棒、送丝机构、胶水喷头、改进型增压喷头、升降工作台、热熔性丝材、料盘等构成；3D打印机外接中央控制系统控制分层等处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由电机驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性胶棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓。

所述的打印系统在送丝机构和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由送丝机构到喷头。

打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

所述的改进型增压喷头包含有输料管路缩口、输料管路、输料管路内通道、加热机构、微型齿轮泵，挤料出口；所述的微型齿轮泵位于挤料出口上方，输料管路下方，依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送熔融液体或使之增压；输料管路外围包裹着散热片，首端连接微型齿轮泵，尾端有卡口与散热管的端部连接处形成缩口。

所述的微型齿轮泵是通过电动机驱动主动齿轮，与被动齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合；依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送熔融液体或使之增压。

所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

本发明解决上述技术问题之三的技术方案是：

所述的微型齿轮泵在驱动装置的驱动下可以相对于挤料出口绕其转轴转动，熔融状态的喷丝经过微型齿轮泵完成增压和挤出成型的过程；挤料出口和输料管路与微型齿轮泵首尾相连，由于液体是不易被压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，随着泵的转动、齿的不断啮合，液体就被排出；泵每转一转，排出的量是一样的；随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体；泵的流量直接与泵的转速有关，从而达到熔融喷丝流量大小可控的目的。

在计算出口流量时，在一般理想状况下我们需要假设以下四个条件成立：

A.理论上带到排出腔的液体积应等于齿间工作容积；

B.每转的流量Qt(quantity)应为两个齿轮全部齿间工作容积之和；

C.可假设齿间工作容积与齿的有效体积相等；

D.每旋转一周输出流量Qt：

1)是一个齿轮的齿间工作容积与轮齿有效体积的总和；

2)近似等于齿的有效部分所扫过的一个径向宽度为2m(m为模数)环形体积出口流量计算公式，平均Qt为：

Qt＝K×D×2m×B×n×10^-6L/min

式中：D：分度圆直径，mm；m：模数，mm；B：齿宽，mm；n：转速，r/min；K：修正系数，一般为1.05-1.15。

为解决上述问题，本发明提出的一种基于太空环境下的3D打印喷丝流量可调与增压成型系统。本发明解决上述技术问题的方案是：

太空环境下的3D打印喷丝流量可调与增压成型系统，其主要结构包括由增压设备改进的增压喷头、挤料出口、输料管路、胶水喷头、设备控制端。增压喷头位于挤料出口上方，输料管路下方，外围有驱动装置和外壳；控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水；再控制增压喷头的增压设备运动从而调节挤料出口熔融喷丝流量的大小与挤出所需压力。

所述的增压设备改进的增压喷头，其特征在于：改进设备包括但不限于：微型齿轮泵、文丘里管、活塞增压泵(文中以微型齿轮泵为例)等增压设备进行喷头的改进，达到增压的目的。

所述的微型齿轮泵，其特征在于：它的最基本形式是通过电动机驱动主动齿轮，与被动齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，这个壳体的内部类似“8”字形，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合。来自于输料管路物料加热熔融后，在吸入口进入两个齿轮中间，并充满这一空间，随着齿的旋转沿壳体运动，最后在两齿啮合时排出。即当一个齿进入另一个齿的流体空间时，液体就被机械性地挤排出来。

所述的微型齿轮泵，其特征在于：因为液体是不易被压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，这样液体就被排出了。由于齿的不断啮合，这一现象就连续在发生，因而也就在泵的出口提供了一个连续排出量，泵每转一转，排出的量是一样的。

所述的微型齿轮泵，其特征在于：随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。泵的流量直接与泵的转速有关，从而达到熔融喷丝流量大小可控的目的。

所述的胶水喷头，其特征在于：胶水喷头与改进型增压喷头的结构同步(实施例中的改进型增压喷头结构均用于胶水喷头)，不同之处在于胶水喷头使用的原材料是热熔性胶棒，需要注意的是热熔性胶棒的使用温度为160℃-180℃。在微重力状态下，胶水喷头在基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。

所述的3D打印机，其特征在于：3D打印机采用FDM(熔融沉积技术)技术，其中材料包括蜡、ABS、PLA、尼龙等，以丝状供料，加热成为熔融状态；同时3D打印机还配有胶水喷头用于模型成型。

所述的全密封设计，其特征在于：3D打印机在完成实体并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

有益效果：

本发明的实用性在于该系统将3D打印运用在航空航天领域，特点在于克服了常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端，优势在于3D打印零部件和工具不必从地球运输，将增强太空任务的可靠性和安全性，使宇航员在太空中有更大程度的自主权和灵活性，在降低太空任务成本的同时也对太空长期任务(如探寻其它星球)有开创性作用。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明3D打印喷头的主视图；

图2是本发明3D打印机的原理图；

图3是本发明3D打印机的成型处理流程图；

图4是本发明3D打印成型系统调控图。

具体实施方式

如图1所示的实施例，是本发明3D打印微型齿轮增压泵喷头的主视图；包含有输料管路缩口101、输料管路102、输料管路内通道103、加热机构104、微型齿轮泵105，挤料出口106。其中微型齿轮泵105位于挤料出口106上方，输料管路102下方，关键在于依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送熔融液体或使之增压的回转泵；输料管路102外围包裹着散热片(图中未画出)，首端连接微型齿轮泵105，尾端有卡口与散热管的端部连接处形成缩口101。

微型齿轮泵105在驱动装置的驱动下可以相对于挤料出口106绕其转轴转动，熔融状态的喷丝经过微型齿轮泵完成增压和挤出成型的过程。挤料出口106和输料管路102与微型齿轮泵105首尾相连，泵每转一转，排出的量是一样的。随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体。泵的流量直接与泵的转速有关，从而达到熔融喷丝流量大小可控的目的。

在计算出口流量时，在一般理想状况下我们需要假设以下四个条件成立：

1.理论上带到排出腔的液体积应等于齿间工作容积；

2.每转的流量Qt(quantity)应为两个齿轮全部齿间工作容积之和；

3.可假设齿间工作容积与齿的有效体积相等；

4.每旋转一周输出流量Qt：

1)是一个齿轮的齿间工作容积与轮齿有效体积的总和；

2)近似等于齿的有效部分所扫过的一个径向宽度为2m(m为模数)环形体积出口流量计算公式，平均Qt为：

Qt＝K×D×2m×B×n×10^-6L/min

式中：D：分度圆直径，mm；m：模数，mm；B：齿宽，mm；n：转速，r/min；K：修正系数，一般为1.05-1.15。

如图2所示，是本发明FDM工艺熔融沉积制造3D打印机原理图；包含有中央控制系统201、热熔性胶棒202、送丝机构203、胶水喷头204、改进型增压喷头205、升降工作台206、热熔性丝材(通常为ABS或PLA材料)207、料盘208，等部分。3D打印机外接中央控制系统201控制分层等处理软件，把CAD模型分层切片处理生成STL数控代码，热熔性丝材207缠绕在料盘208上，由电机驱动料盘208旋转。料丝207、热熔性胶棒202在主动辊与从动辊(即送丝机构203)的摩擦力作用下向改进型增压喷头205、胶水喷头204送出，在供料辊和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由供料辊送到喷头。

其中，胶水喷头207用于每层打印前喷洒胶水；控制端基于PC机先控制胶水喷头204在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。随后改进型增压喷头205根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，克服了常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端，材料冷却后便形形成了工件的轮廓。成型过程必须全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

如图2所示，胶水喷头204与改进型增压喷头205的结构同步(实施例中的改进型增压喷头结构205均用于胶水喷头204)，不同之处在于胶水喷头204使用的原材料是热熔性胶棒(图3中有标出)，热熔性胶棒从输料管路102进入，工作温度为160℃-180℃。在微重力状态下，胶水喷头在基于PC机先控制胶水喷头204在程序制定区域先喷洒一层胶水，随后增压喷头205根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型。

如图3所示，是本发明3D打印机的成型处理流程图；常规3D打印无法在微重力条件下成型，主要受到两方面影响1、物料挤出受限；2、实物堆积成型困难。本发明分别采用胶水喷头粘黏和改进型增压喷头来解决这两个问题，并在共同作用下解决常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端。即控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序指定区域先喷洒一层胶水，再控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程。

如图4所示，本发明3D打印成型系统调控图。太空成型细节通过PC机控制图形切片软件生成STL模型，中央控制系统控制胶水喷头和改进型增压喷头成型实物。改进型增压喷头可控制喷丝流量与压力大小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种太空环境下的3D打印实现方法，其特征在于：所述的方法是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水主然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。

2.根据权利要求1所述的3D打印实现方法，其特征在于：所述的成型过程全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

3.一种实现权利要求1或2所述的3D打印实现方法的打印系统；其特征在于：所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性胶棒、送丝机构、胶水喷头、改进型增压喷头、升降工作台、热熔性丝材、料盘等构成；3D打印机外接中央控制系统控制分层等处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由电机驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性胶棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓。

4.根据权利要求3所述的打印系统；其特征在于：所述的打印系统在送丝机构和喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由送丝机构到喷头。

5.根据权利要求3所述的打印系统；其特征在于：打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

6.根据权利要求4所述的打印系统；其特征在于：打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

7.根据权利要求3至6任一项所述的打印系统；其特征在于：所述的改进型增压喷头包含有输料管路缩口、输料管路、输料管路内通道、加热机构、微型齿轮泵，挤料出口；所述的微型齿轮泵位于挤料出口上方，输料管路下方，依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送熔融液体或使之增压；输料管路外围包裹着散热片，首端连接微型齿轮泵，尾端有卡口与散热管的端部连接处形成缩口。

8.根据权利要求7所述的打印系统；其特征在于：所述的微型齿轮泵是通过电动机驱动主动齿轮，与被动齿轮在一个紧密配合的壳体内相互啮合旋转，两个齿轮装在里面，齿轮的外径及两侧与壳体紧密配合；依靠泵缸与啮合齿轮间所形成的工作容积变化和移动来输送熔融液体或使之增压。

9.根据权利要求3至6任一项所述的打印系统；其特征在于：所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

10.根据权利要求7所述的打印系统；其特征在于：所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

11.根据权利要求8所述的打印系统；其特征在于：所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

12.一种3至11任一项权利要求所述的打印系统的喷丝流量控制方法；其特征在于：所述的微型齿轮泵在驱动装置的驱动下可以相对于挤料出口绕其转轴转动，熔融状态的喷丝经过微型齿轮泵完成增压和挤出成型的过程；挤料出口和输料管路与微型齿轮泵首尾相连，由于液体是不易被压缩的，所以液体和齿就不能在同一时间占据同一空间，随着泵的转动、齿的不断啮合，液体就被排出；泵每转一转，排出的量是一样的；随着驱动轴的不间断地旋转，泵也就不间断地排出流体；泵的流量直接与泵的转速有关，从而达到熔融喷丝流量大小可控的目的。

13.根据权利要求12所述的喷丝流量控制方法；其特征在于：在计算出口流量时，在一般理想状况下我们需要假设以下四个条件成立：

A.理论上带到排出腔的液体积应等于齿间工作容积；

B.每转的流量Qt(quantity)应为两个齿轮全部齿间工作容积之和；

C.可假设齿间工作容积与齿的有效体积相等；

D.每旋转一周输出流量Qt：

1)是一个齿轮的齿间工作容积与轮齿有效体积的总和；

2)近似等于齿的有效部分所扫过的一个径向宽度为2m(m为模数)环形体积出口流量计算公式，平均Qt为：

Qt＝K×D×2m×B×n×10^-6L/min

式中：D:分度圆直径，mm；m:模数，mm；B:齿宽，mm；n:转速，r/min；K:修正系数，一般为1.05-1.15。