CN105479741B - 一种用于太空环境的3d打印系统 - Google Patents

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李轩
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Abstract

本发明提供一种用于太空环境的3D打印系统,包括重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统,其中:所述重力产生设备包括旋转仓2,所述旋转仓2设置于固定底座3上方,旋转仓2中心设置旋转轴承4,所述旋转仓2与驱动装置连接;重力产生设备内部设置至少一个立体腔,3D打印设备设置于立体腔内,所述立体腔密封设置;所述中央控制系统为工控PC机,分别与旋转仓2的驱动装置及3D打印设备连接,控制旋转仓2的运动,并控制3D打印设备进行需求化打印。本系统将3D打印运用在航空航天领域,通过重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统的设置,提供了与地球环境相似打印环境,克服了常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端,对于实现大空环境中的3D打印具有重要的意义。

Description

一种用于太空环境的3D打印系统
技术领域
本发明涉及三维打印成型技术领域,具体地说,涉及一种用于太空环境的3D打印系统。
背景技术
三维(3D)打印技术是加式制造行业的重要组成部分,该技术以数字模型文件为基础,运用粉末状金属、树脂、蜡或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体,是一种集成化的先进制造技术。
3D打印的一般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。
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。但是,近年来,3D打印技术越来越多地应用到太空中,太空中的3D打印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,降低飞船升空成本,把更多成本用在其他需求方面。飞船自身拥有制造能力,也对太空长期任务(如探寻其他星球)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。3D打印的这些优势运用在太空中可将其最大化。
而在太空上原有的重力条件变成了微重力状态,因而我们需要产生重力场保证材料能从喷头中挤出;同时要兼顾宇航员的健康和仪器的正常使用,达到为太空探索的航空器件提供备用零件的目的。
因此,提供一种用于太空环境的3D打印系统具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供用于太空环境的3D打印系统,本发明是通过以下技术方案来实现的:
一种用于太空环境的3D打印系统,包括重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统,其中:
所述重力产生设备包括旋转仓2,所述旋转仓2设置于固定底座3上方,旋转仓2中心设置旋转轴承4,所述旋转仓2与驱动装置连接;
重力产生设备内部设置至少一个立体腔,3D打印设备设置于立体腔内,所述立体腔密封设置;
所述中央控制系统为工控PC机,分别与旋转仓2的驱动装置及3D打印设备连接,控制旋转仓2的运动,并控制3D打印设备进行需求化打印。
进一步地,所述的驱动装置为电动机,所述电动机位于旋转仓2内,驱动旋转仓2转动。
进一步地,旋转仓2内设置4台3D打印设备,机头方向朝外,固定安装在旋转仓2中的4个立体腔内部。
进一步地,所述立体腔内设置吸尘设备,用于吸收3D打印设备的微尘。
进一步地,中央控制系统通过控制电动机的转速使转轮转速可调,即可以使得重力的大小可控。
进一步地,所述旋转仓2内安装有机械手臂,用于将成品取放到指定密封区域。
进一步地,所述的3D打印设备喷头处有加热装置103,用于熔融不同易融材料,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。
本发明所提供的一种用于太空环境的3D打印系统,具有以下优点:
第一:该系统将3D打印运用在航空航天领域,通过重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统的设置,提供了与地球环境相似打印环境,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有开创性作用。
第二:旋转仓内可设置多个立体腔,将打印设备密封于立体腔内,并在立体腔内设有吸尘设备,保证了打印在密封环境下进行,保证了宇航员的健康和仪器的正常使用;
第三:通过中央控制系统控制旋转仓转速与控制打印,可提供不同重力条件下的打印环境,并可设置多台不同材料的3D打印设备同时工作,提供多样化打印。
附图说明
图1是本发明FDM工艺熔融沉积制造3D打印机原理图;
图2是本发明重力产生设备的侧视图;
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。
其中:
【主要部件符号说明】
101:挤料喷头;102:送丝机构102;103:加热装置;104:升降工作台;106:料盘;107:中央控制系统;108:运动机构; 10:立体腔a;11:立体腔b;12立体腔c;13:立体腔d;2:旋转仓;3:固定底座;4:旋转轴承。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的一种用于太空环境的3D打印系统进一步详细的说明。
参照图1、图2,一种用于太空环境的3D打印系统,包括重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统,所述重力产生设备包括旋转仓2,所述旋转仓2设置于固定底座3上方,旋转仓2中心设置旋转轴承4,所述旋转仓2与驱动装置连接;重力产生设备内部设置至少一个立体腔,3D打印设备设置于立体腔内,所述立体腔密封设置;所述中央控制系统为工控PC机,分别与旋转仓2的驱动装置及3D打印设备连接,控制旋转仓2的运动,并控制3D打印设备进行需求化打印。所述的驱动装置为电动机,所述电动机位于旋转仓2内,驱动旋转仓2转动。旋转仓2内设置4台3D打印设备,机头方向朝外,固定安装在旋转仓2中的4个立体腔内部。所述立体腔内设置吸尘设备,用于吸收3D打印设备的微尘。中央控制系统通过控制电动机的转速使转轮转速可调,即可以使得重力的大小可控。所述旋转仓2内安装有机械手臂,用于将成品取放到指定密封区域。所述的3D打印设备喷头处有加热装置103,用于熔融不同易融材料,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。
图2显示的是本发明FDM工艺熔融沉积制造3D打印机结构,包含有挤料喷头101、送丝机构102、加热机构103、升降工作台104,运动机构108,5个部分。3D打印机外接中央控制系统107,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(通常为ABS或PLA材料)被缠绕在料盘106上,由电机驱动料盘106旋转,料丝105在主动辊与从动辊的摩擦力作用下向挤出机喷头送出。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丝材能够顺利准确地由供料辊送到挤料喷头101的内腔喷头的上方有电阻丝式加热器,在加热器的作用下丝材被加热到熔融状态,然后通过挤出机根据程序指令把材料挤压到工作台上,经过层层叠加成型,材料冷却后便形形成了原型件的截面轮廓。
图1是本发明的一个优选实施例示意图,从图看出,本系统包含有立体腔a10、立体腔b11、立体腔c12、立体腔d13;旋转轴承4由电机控制带动旋转仓2在固定底座3上转动,主轴承内部包括控制3D打印机电路等线路;箭头方向是3D打印机的安装方向即底部所朝方向;旋转仓2的侧视图是一个转轮,半径为R。所述的旋转仓2由电动机驱动顺时针转动(旋转方向如图所示),中央控制系统主要基于PC机控制重力产生设备驱动装置的运动方式和运动速度,可以使得重力的大小可控。转轮的转速为n rpm(r/min), RCF即表示相对离心场,以重力加速度g(980.66cm/s2)的倍数来表示;rpm(revolution per minute,或r/min)表示离心机每分钟的转数。 rpm与g之间的换算公式为:RCF = 1.119× 10-5 ×n2 (rpm)× R。我们规定,3D打印机在地面上的重力是一个标准G,那么RCF在一般情况下最好小于等于1,因为R是固定值,那么我们通过控制转速n即可达到控制重力场的目的。
所述的3D打印机挤料喷嘴如图中箭头所示的方向,位于中心轴上并垂直于轮转表面;3D打印机挤料喷嘴在加热后,材料将处于熔融状态,在太空一般情况下,熔融状态材料将处于失重漂浮状态;重力场设备产生的离心力,可以使熔融状材料受到离心力的影响,汇集到挤料喷嘴处,然后挤出完成打印步骤;所以这里我们要求每台打印机的挤料喷嘴必须垂直于轮转表面,离心力作用才能使熔融状态材料聚集到喷头。
图3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。本发明采用重力产生设备来解决这些问题,即控制端基于PC机先控制驱动装置的运动速度从而产生的离心力且能控制离心力的大小,解决了物料挤出受限和实物堆积成型困难的问题。
图4是本发明的控制方式:太空成型细节包过PC机的图形切片控制产生STL模型,重力产生设备控制产生适当的离心力,在离心力的作用下开始进行3D打印成型。实物成型的效果根据中央控制系统中的数据信息控制3D打印机成型。
当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:包括重力产生设备、3D打印设备与中央控制系统,其中:所述重力产生设备包括旋转仓(2),所述旋转仓(2)设置于固定底座(3)上方,旋转仓(2)中心设置旋转轴承(4),所述旋转仓(2)与驱动装置连接;重力产生设备内部设置至少一个立体腔,3D打印设备设置于立体腔内,所述立体腔密封设置;所述中央控制系统为工控PC机,分别与旋转仓(2)的驱动装置及3D打印设备连接,控制旋转仓(2)的运动,并控制3D打印设备进行需求化打印。
2.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:所述的驱动装置为电动机,所述电动机位于旋转仓(2)内,驱动旋转仓(2)转动。
3.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:旋转仓(2)内设置4台3D打印设备,机头方向朝外,固定安装在旋转仓(2)中的4个立体腔内部。
4.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:所述立体腔内设置吸尘设备,用于吸收3D打印设备的微尘。
5.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:中央控制系统通过控制电动机的转速使转轮转速可调,即可以使得重力的大小可控。
6.根据权利要求1所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:所述旋转仓(2)内安装有机械手臂,用于将成品取放到指定密封区域。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种用于太空环境的3D打印系统,其特征在于:所述的3D打印设备喷头处有加热装置(103),用于熔融不同易融材料,其中材料包括蜡、ABS、PLA、尼龙,以丝状供料,加热成为熔融状态。
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