CN109501256A - 一种固体火箭发动机绝热层的3d打印成型装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固体火箭发动机绝热层的3D打印成型装置，包括旋转驱动机构、打印头组件、人机交互模块、控制系统模块和机架，旋转驱动机构安装在机架前部，机架后部安装有轴向进给机构，轴向进给机构前部安装有径向进给机构，打印头组件安装在径向进给机构上，打印头组件包括伺服电机、液态绝热材料安装支架、激光位移传感器和螺杆挤出阀，人机交互模块通过控制系统模块控制径向进给机构、轴向进给机构和旋转驱动机构的动作、确定原点位置和实现打印头组件运动轨迹控制。本发明改善了绝热生产工作环境，实现了绝热层自动化生产，保证了绝热层整体质量，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印成型装置，特别涉及一种固体火箭发动机绝热层的3D打印成型装置。
背景技术
绝热层是位于发动机壳体与推进剂之间的隔热防护材料，其主要功能是通过自身的不断分解、烧蚀带走大部分热量以缓解高温燃气温度向壳体的传递速度，防止发动机壳体被高温燃气破坏，保证发动机正常工作，是固体火箭发动机燃烧室的重要组成部分之一。绝热层成型工艺对绝热层的综合性能发挥有着重要的影响，绝热层成型工艺是固体火箭发动机绝热技术中关键的工艺技术之一。为保证导弹发动机工作的安全性和可靠性，对绝热层成型质量的可靠性提出了高效快速要求。
现有绝热层成型工艺主要有手工粘贴成型、模压预成型以及复合结构缠绕成型三种工艺方法。手工粘贴成型是目前金属壳体内绝热成型的主要工艺。手工粘贴工艺将绝热层根据图纸要求进行分层、分段、分块粘贴，该工艺成熟，应用范围广，适应性强，但工艺落后，劳动强度大，成型质量对操作者的依赖性强。由于固体火箭发动机前、后封头内型面较复杂，部分型号采用模压成型方法。模压法通常根据与绝热层某部位相匹配的金属模具，将不同厚度与封头内型面相匹配的封头绝热层预制件预模压定型，脱模取出，通过手工刷胶、手工送入壳体内部，进行表面处理后粘贴在燃烧室内，粘贴过程靠人工经验判定位置，与筒段绝热层搭接后，整体硫化成型。复合结构壳体绝热层缠绕成型，通过机械装置将绝热层片材按要求连续铺放在旋转的壳体内壁，通过加压系统给予绝热材料一定的压力，使绝热材料连续粘贴在壳体内壁的工艺方法。
现有绝热层成型工艺作为型号研制生产过程中的瓶颈工艺，由于绝热层生产自动化程度低，绝热层成型的各工序均依靠作业人员手工完成，成型周期长、工艺安全可靠性低、绿色环保性低下。行业内多家单位相继开展过绝热层整体成型工艺技术研究，并在小型发动机贴片工艺上取得了一定技术进展，但此法绝热层成型工艺研究成果存在局限性，较难在行业内推广应用，满足不了发动机多型号、变批量快速生产需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种固体火箭发动机绝热层的3D打印成型装置，以解决固体火箭发动机绝热层生产自动成型的问题。
为解决存在的技术问题，本发明采用的技术方案为：一种固体火箭发动机绝热层的3D打印成型装置，包括旋转驱动机构、打印头组件、人机交互模块、控制系统模块和机架。
所述旋转驱动机构安装在机架前部，固体火箭发动机壳体放置在机架上并与旋转驱动机构固定联接，机架后部安装有轴向进给机构，轴向进给机构前部安装有径向进给机构，打印头组件安装在径向进给机构上。
所述打印头组件包括伺服电机、液态绝热材料安装支架、激光位移传感器和螺杆挤出阀，液态绝热材料安装支架部位安置液态绝热材料；所述伺服电机控制螺杆挤出阀实现液态绝热材料的挤出量及挤出速度；所述激光位移传感器精确定位打印头组件与固体火箭发动机壳体的相对位置，将位置信息反馈给人机交互模块并通过控制系统模块实现打印头组件的自动校正。
所述人机交互模块通过控制系统模块控制径向进给机构、轴向进给机构和旋转驱动机构的动作、确定原点位置和实现打印头组件运动轨迹控制。
本发明针对当前固体火箭发动机绝热层主要依靠人工贴片，存在环保性差、自动化水平低、容易形成鼓包、脱粘、虚空等缺陷的工艺问题，影响发动机的质量可靠性和生产效率，难以满足复杂结构发动机的研制和多型号、变批量、大规模生产需求。
以液态固体火箭发动机绝热材料为研究对象，开展相应的3D打印技术及设备研究，实现绝热材料的快速固化成型。采用发动机绝热层的自动化生产技术和相应的3D打印装备，实现绝热层的自动化生产。增材制造技术为实现绝热层快速制造提供了全新的途径，不仅颠覆传统制造技术，能够解决传统制造所不能解决的技术难题，而且增材制造比传统标准化生产的优势在于富有灵活性，不仅提高绝热层生产效率，提升绝热层精密度和质量稳定性，同时为新型固体火箭发动机燃烧室的设计提供技术支持和理论保障。保证绝热层质量可靠性，提高生产效率，特别为复杂结构发动机的研制提供技术保障。
有益效果：
本发明使用增材制造方式代替人工操作，将无溶剂液态绝热层浆料材料快速固化成型，改善了绝热生产工作环境，实现了绝热层自动化生产，保证了绝热层整体质量，提高了生产效率。该发明使用了3D打印技术，特别适合异形的结构复杂的发动机绝热层制备。
附图说明
图1 绝热层的3D打印成型装置示意图，图中标记： 1为旋转驱动机构；2为固体火箭发动机壳体；3为打印头组件；4为径向进给机构；5为轴向进给机构；6为人机交互模块；7为控制系统模块；8为机架。
图2 3D打印头组件示意图，图中标记：3-1为伺服电机；3-2为液态绝热材料安装支架；3-3为激光位移传感器；3-4为螺杆挤出阀；3-5为工业摄像机；3-6为光源。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明做进一步说明。
本发明的装置图如图1、图2所示，具体流程如下所述。
1)根据固体火箭发动机壳体2的型号特征及所需绝热层的性能，通过计算获得绝热层的尺寸特征；
2)结合3D打印工艺参数，根据3D打印软件解析绝热层的尺寸特征，计算绝热层成型的运动轨迹，生成路径代码，导入控制系统模块7；
3)将固体火箭发动机壳体2放置于机架8相应位置，并将固体火箭发动机壳体2与旋转驱动机构1固定联接；
4)将适用于3D打印的液态绝热材料安置于打印头组件3的液态绝热材料安装支架3-2部位；
5)通过人机交互模块6以及控制系统模块7控制径向进给机构4、轴向进给机构5和旋转驱动机构1动作确定原点位置和实现打印头运动轨迹控制；
6)通过伺服电机3-1控制螺杆挤出阀3-4中绝热材料的挤出量及挤出速度，以实现绝热材料打印成型；
螺杆挤出阀3-4采用精密螺杆阀、自动补偿修正系统、可视系统等智能机构，保证绝热层制备质量可靠性。
7)通过激光位移传感器3-3实现打印头组件3与固体火箭发动机壳体2相对位置的精确定位，并实现自动校正；
8)通过工业摄像机3-5记录绝热层快速成型过程，以实现绝热层缺陷判别及自动反馈控制；
9)根据绝热层的形状和厚度要求，逐层打印；
10)成型后，将固体火箭发动机壳体2转移至烘房，加热固化成型。
本发明可通过材料和设备的进一步改进，引入光固化或微波辐射固化技术，进一步提高绝热层制造质量。本发明可进一步改进为流水线生产，提高生产效率。
Claims (3)
1.一种固体火箭发动机绝热层的3D打印成型装置，包括旋转驱动机构（1）、打印头组件（3）、人机交互模块（6）、控制系统模块（7）和机架（8），其特征在于：
所述旋转驱动机构（1）安装在机架（8）前部，固体火箭发动机壳体（2）放置在机架（8）上并与旋转驱动机构（1）固定联接，机架（8）后部安装有轴向进给机构（5），轴向进给机构（5）前部安装有径向进给机构（4），打印头组件（3）安装在径向进给机构（4）上，
所述打印头组件（3）包括伺服电机（3-1）、液态绝热材料安装支架（3-2）、激光位移传感器（3-3）和螺杆挤出阀（3-4），液态绝热材料安装支架（3-2）部位安置液态绝热材料；所述伺服电机（3-1）控制螺杆挤出阀（3-4）实现液态绝热材料的挤出量及挤出速度；所述激光位移传感器（3-3）精确定位打印头组件（3）与固体火箭发动机壳体（2）的相对位置，将位置信息反馈给人机交互模块（6）并通过控制系统模块（7）实现打印头组件（3）的自动校正；
所述人机交互模块（6）通过控制系统模块（7）控制径向进给机构（4）、轴向进给机构（5）和旋转驱动机构（1）的动作、确定原点位置和实现打印头组件（3）运动轨迹控制。
2.根据权利要求1所述的3D打印成型装置，其特征在于：所述打印头组件（3）还包括工业摄像机（3-5），工业摄像机（3-5）记录绝热层快速成型过程，实现绝热层缺陷判别及自动反馈控制。
3.根据权利要求1所述的3D打印成型装置，其特征在于：所述打印头组件（3）还包括光源（3-6）。
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