CN108437153A - 一种月球基地外壳层的建造方法 - Google Patents

一种月球基地外壳层的建造方法 Download PDF

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董赛阳
伊斯坎达瑞·卡麦
赖建中
王强
郑晓博
李宏基
曹进峰
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    • B28—WORKING CEMENT, CLAY, OR STONE
    • B28B—SHAPING CLAY OR OTHER CERAMIC COMPOSITIONS; SHAPING SLAG; SHAPING MIXTURES CONTAINING CEMENTITIOUS MATERIAL, e.g. PLASTER
    • B28B1/00—Producing shaped prefabricated articles from the material
    • B28B1/001—Rapid manufacturing of 3D objects by additive depositing, agglomerating or laminating of material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y10/00—Processes of additive manufacturing

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Abstract

本发明公开了一种月球基地外壳层的建造方法，该方法如下：设计月球基地外壳层三维模型图并对其切片；送粉缸和压辊沿着月球基地内壳层外侧铺粉；激光器对所铺粉层进行选择性扫描，形成烧结层；每烧结完一层，利用机械臂，将激光器、压辊、送粉缸及辅助装置同时提升一层的厚度，然后重新进行新一轮的送粉、铺粉、切片、激光束扫描、形成新的烧结层，并与前一个烧结层烧结在一起；重复上述过程，层层叠加，直到整个月球基地外壳层建造完成。本发明利用选择性激光烧结工艺使用月壤直接打印月球基地外壳层，节约从地球运输建材到月球的运输成本，且建造的月球基地，密实性好，损毁后易修复，并且可以采用多台激光打印机同时作业的方式，缩短建造时间。

Description

一种月球基地外壳层的建造方法
技术领域
本发明涉及太空基地建造领域，具体涉及一种月球基地外壳层的建造方法。
背景技术
月球是地球唯一的一颗天然卫星，对月球的探索、开发是人类迈向广阔宇宙的第一步。早在上世纪六七十年代“阿波罗”计划时期，人类就开始了建设月球基地的设想。但到目前为止尚未有切实可行的月球基地建造方法，针对这一情况，本发明提出一种月球基地外壳层的建造方法；月球与地球相距38.44万公里，目前从地球运送1kg物资到月球需要11～22万美元，如果从地球运送建筑材料到月球，必将耗费高昂的成本。
以传统工艺建造月球基地需要大量人力和机械，而这在月球上是很难实现的。选择性激光烧结工艺是当下较为成熟的3D打印工艺，利用3D打印技术打印实体模型可以节约大量人力和时间，这是业界共识，利用新型选择性激光烧结工艺在万里之遥的月球上打印月球基地是相当经济的。
据美国宇航局的一项估计，若一名宇航员在月球表面上生存一年，这名宇航员被陨石击中的可能性为1/106～1/108，是在地球上的5～500倍，若将目标换成10000m2的月球基地，则被陨石击中的概率会大到1/100～1/104，当遇到速度达到13～18km/s的陨石，以人类目前掌握的技术，月球基地一定会被破坏，因此月球基地的快速修补技术很关键。
月壤颗粒非常细小，平均粒径只有70μm，传统选择性激光烧结工艺的粉料粒径一般在50～125μm之间，因而只需对采集的月壤进行简单地筛分就可利用。月壤的化学成分主要包括Si02、Ti02、Al203、FeO、Fe203、MnO、MgO、CaO、Na20等，月壤主要组成颗粒包括：矿物碎屑(主要为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿等)、结晶岩碎屑(玄武岩、斜长岩、橄榄岩等)、玻璃(熔融岩、微角砾岩、撞击玻璃等)，据此可估算月壤熔点在1500～1800℃左右，利用激光束完全可以对其烧结加工。月球月海地区月壤平均厚度为4～5m，高地地区为10～15m，所以月壤是月球上丰富的资源。
发明内容
本发明的目的是提供一种节约成本的月球基地外壳层的建造方法，所述建造方法具有取材方便、便于操作、建造速度快，节约人力的特点，本发明的月球基地外壳层的建造方法使用月球表面随处可取的月壤作为建筑材料，节约了从地球利用航天器运输建材到月球的成本，并且同一个月球基地外壳层可以采用多台激光打印机同时运作的方式建造，可以缩短建造月球基地的时间，根据具体情况，灵活安排作业方式。
本发明技术方案如下：
一种月球基地外壳层的建造方法，采取如下措施：
1)，使用三维建模软件，设计月球基地外壳层三维实体模型图；
2)，使用分层切片软件对月球基地外壳层三维模型图沿着打印方向进行实时切片；
3)，送粉缸每隔一个送粉间距卸出粉料，压辊随即将粉料碾平，形成粉料层，沿着月球基地内壳层外侧进行铺粉，保持铺粉层厚度与切片的厚度相一致，并铺平压实；其中，粉料为月壤；
4)，控制激光器，按照月球基地外壳层二维切片的轮廓信息对所铺的粉层进行有选择的扫描，形成一个与月球基地外壳层二维切片的轮廓相一致的烧结层；重复进行送粉缸送粉、压辊碾平粉料、激光器对碾平后的粉料层进行扫描烧结；
5)，在打印完一层后，利用机械臂，将激光器、压辊、送粉缸及辅助装置同时提升一个打印层的厚度(由于月球重力只有地球上的1/6，所以不用担心机械臂的承重问题)，然后重新进行新一轮的送粉、铺粉、切片、激光束扫描、形成新的烧结层，并与前一个烧结层烧结在一起；
6)，重复这一过程，层层叠加，直到整个月球基地外壳层图1建造完成。
更进一步，根据同一个月球基地同时作业的激光打印机的台数，可将本月球基地建造方法，分为单台激光打印机执行打印作业的建造方法和多台激光打印机同时作业的方法。
更进一步，建造月球基地之前，需预先采集足够量的月球土壤颗粒，建立料厂，完成月壤的筛分工作，并且为了便于运输及其它设备转运，可预先对基地周围月面做激光烧结硬化处理。
更进一步，月球基地内层建筑及支撑材料，不包括在本方法在内。
相较于现有技术，本发明的显著优点：
1、避免了从地球托运大量建筑材料到月球的高昂经济代价、时间代价。
2、月壤在月球上随处可以收集，因此真正做到就地取材，可以实现月球任何地方建筑的需要。
3、月壤粒径较为均匀，大多为微米级别(一般50％以上颗粒粒径小于0.1mm)，只需进行简单地筛分工作，就可以很好的满足激光打印的要求。
附图说明
图1为月球基地外壳层示意图。
图2为激光烧结流程示意图。
图3为辅助装置正视图。
图4为辅助装置俯视图。
其中，1为激光发射器(为简便，简写为激光器)；2为铺粉压辊；3为送粉缸；4为防粉掉落辅助装置(为简便，简写为辅助装置)；5为粉料层(即经压辊2碾压后的月壤层)；6为已烧结好的外壳层；9是溢料口。
具体实施方式
一种月球基地外壳层的建造方法，采用如下措施：
1)相关准备工作：
a、根据月球基地外壳层的用粉量，采集足够量月壤，做好筛分工作备用；
b、利用太阳能发电或核电等方法为建筑作业提供足够的能源；
c、激光打印机、粉料运输月球车等相关设备设施的预备；
d、月球基地周围的月面的硬化处理工作。
2)使用三维建模软件，设计月球基地外壳层三维实体模型图；
3)使用分层切片软件对月球基地外壳层三维模型图沿着某一特定方向进行实时切片；
4)送粉缸3每隔一段距离卸出粉料，压辊2随即将粉料碾平，沿着月球基地内壳层外侧进行铺粉；
5)控制激光器1，按照月球基地外壳层二维切片的轮廓信息对所铺的粉层进行有选择的扫描；
6)在烧结完一层后，利用机械臂，将激光器1、压辊2、送粉缸3及辅助装置4同时提升一个打印层的厚度，然后重新进行新一轮的送粉、铺粉、切片、激光束扫描、形成新的烧结层，并与前一个烧结层烧结在一起；
7)重复这一过程，层层叠加，直到整个月球基地外壳层图1建造完成。
根据同一个月球基地同时作业的激光打印机的台数，可将本月球基地建造方法，分为单台激光打印机执行打印作业建造的方法和多台激光打印机同时作业的方法。
月球基地内层建筑及支撑材料，不包括在本方法在内。
相较于传统工艺建造月球基地的方法，本方法采用激光直接烧结月壤进行3D打印的成型方法。由此带来的好处是：
激光烧结直接将月壤融化从而粘结在一起，不需要传统意义上的胶凝材料作为粘结剂，不需要水，节约了从地球运送相关物资到月球的成本。
不需要粘结剂，也就不需要对建筑材料进行配比、混合等工序，从而节约时间，节约劳动力，简化操作。
若受陨石撞击导致基地外壳层破坏，可随时采用选择性激光烧结技术进行修补，由于直接熔融月壤进行修补，所以不用担心粘结问题。
如图2所示，为激光烧结过程，具体如下：1)送粉缸3每隔一段距离卸出粉料；2)压辊2将送粉缸卸出的粉料碾平，形成粉料层5；3)激光器1按照二维切片信息对碾平后的粉料层进行扫描烧结；4)重复进行送粉缸3送粉、压辊2碾平粉料、激光器1对碾平后的粉料层5进行扫描烧结。
如图3、图4所示分别为辅助装置的正视图和俯视图。其中，5为粉料层；6为已烧结好的外壳层；7为辅助装置部件；8辅助装置的轮子；7、8共同组成辅助装置4；9是溢料口。
辅助装置的作用是：
(1)辅助送粉缸3送粉，防止送粉缸3送粉时粉料滚落；
(2)辅助压辊2碾平粉料，防止压辊2碾平粉料时粉料滚落；
(3)辅助激光器1对碾平后的粉料层5进行扫描烧结，防止激光器1对碾平后的粉料层5进行扫描烧结过程中粉料滚落；辅助激光器1烧结出有一定倾斜度的墙体；
辅助装置支架7和辅助装置的轮子8都起到限位的作用，辅助装置的轮子8有便于辅助装置前移的作用；
溢料口9的作用是：在压辊2铺粉时，溢出积聚于压辊2前方多余的粉料。

Claims (5)

1.一种月球基地外壳层的建造方法，其特征在于，具体方法如下：
1)，使用三维建模软件，设计月球基地外壳层三维实体模型图；
2)，使用分层切片软件对月球基地外壳层三维模型图沿着打印方向进行实时切片，得到月球基地外壳层二维切片的轮廓信息；
3)，送粉缸(3)每隔一个送粉间距卸出粉料，压辊(2)随即将粉料碾平，形成粉料层5，沿着月球基地内壳层外侧进行铺粉，保持铺粉层厚度与切片的厚度相一致，并铺平压实；其中，粉料为月壤；
4)，控制激光器(1)，按照月球基地外壳层二维切片的轮廓信息对所铺的粉层进行有选择的扫描，形成一个与月球基地外壳层二维切片的轮廓相一致的烧结层；重复进行送粉缸(3)送粉、压辊(2)碾平粉料、激光器(1)对碾平后的粉料层(5)进行扫描烧结；
5)，在烧结完一层后，利用机械臂，将激光器(1)、压辊(2)、送粉缸(3)及辅助装置(4)同时提升一个打印层的厚度，然后重新进行新一轮的送粉、铺粉、切片、激光束扫描、形成新的烧结层，并与前一个烧结层烧结在一起；
6)重复这一过程，层层叠加，直到整个月球基地外壳层建造完成。
2.根据权利要求1所述的月球基地外壳层的建造方法，其特征在于：步骤(3)、(4)采用选择性激光烧结工艺。
3.根据权利要求1所述的月球基地外壳层的建造方法，其特征在于：根据设计得太空基地的面积不同，选择送粉缸3不同的加料次数，每隔半圈或1/4圈向送粉缸中投送一次粉料。
4.根据权利要求1所述的月球基地外壳层的建造方法，其特征在于：步骤(3)、(4)中利用了辅助装置(4)，辅助装置(4)为对称结构，每一部分均包括具体结构如下：辅助装置支架(7)；辅助装置的轮子(8)；溢料口(9)，其中，辅助装置支架(7)包括挡板及伸出部分，溢料口(9)设置在挡板的顶部，辅助装置的轮子(8)设置在挡板的底部，辅助装置支架(7)的伸出部分与辅助装置的轮子(8)在竖直方向并齐，均与月球基地外壳层外表面接触。
5.一种用于月球基地外壳层的建造方法的辅助装置，其特征在于：所述的辅助装置(4)为对称结构，每一部分均包括具体结构如下：辅助装置支架(7)；辅助装置的轮子(8)；溢料口(9)，其中，辅助装置支架(7)包括挡板及伸出部分，溢料口(9)设置在挡板的顶部，辅助装置的轮子(8)设置在挡板的底部，辅助装置支架(7)的伸出部分与辅助装置的轮子(8)在竖直方向并齐，均与月球基地外壳层外表面接触。
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