CN109551763A - 一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置，涉及航空航天技术领域。方案中，在地外行星微重力等环境下实施和使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，再将土壤粉末与光固化树脂进行混合，将混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了应用。
Description
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人类对于太空的探索已经不仅仅局限于短暂的停留，而瞄向了停留时间更长的居住及生活。建设月球基地、火星基地等地外行星基地已经成为了摆在航天工作者面前的一个难题，而地外行星基地的建设需要众多的结构件，尤其是复杂的结构件，比如：曲面结构件、镂空结构件等，其结构复杂。由地球上行运输建筑等原材料实现这一宏伟而巨大航天工程所消耗的人力、财力、物力使其变得不现实，原位利用地外行星资源变成了共识。因具有储量巨大、易于开采、温度适应性强、抗辐射等优势，月球土壤、火星土壤等地外行星表面的土壤资源成为了首选理想材料。
目前，利用地外行星土壤制备结构件的方式主要包括：模具冲压法、挤出式3D打印法、激光烧结法，但都存在一定的问题：
模具冲压法只能制备几何形状简单的零件，不适合制备具有复杂几何形状的零件，且成型不同形状的零件需要使用相应的模具，而且不灵活，同时模具尺寸及种类增加了上行运输负担及成本；
挤出式3D打印法可打印形状复杂结构件，但是成型精度较差，成型后需要配合一定表面后处理工序，所以不适用于制备尺寸精度和表面光洁度高的结构件及功能件，比如螺丝、螺母等；
激光烧结地外行星土壤时，粉末在微重力环境下受到干扰容易产生漂浮等不稳定问题，所以会降低成型件的精度，同时较大的能量输入导致成型后的零件易产生过烧、气孔、未熔合等缺陷，严重影响成型件的性能。
因此，上述现有方法存在的问题极大的限制了原位利用地外行星土壤制备建筑件、结构件的应用，延缓了建立地外行星基地开展相关科学研究的进程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，该方法在地外行星微重力环境下实施，包括如下步骤：
S1，采集地外行星土壤，并对其进行筛分，得到粒径范围在0.01μm～20mm的土壤粉末；
S2，将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到粘度范围为2～100Pa·s的地外行星土壤浆料；
S3，利用地外行星土壤浆料，采用立体光刻3D打印成型，得到立体光刻3D打印件，所述打印件的光源像素尺寸最小为50μm，尺寸精度误差在0.5％以内，表面粗糙度在5μm以下；
S4，对立体光刻3D打印件进行烧结，完成复杂结构件的制备。
优选地，S1中，所述对其进行筛分，采用气流作为土壤筛分作用力。
优选地，S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，光源波长为200nm-1000nm。
优选地，S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，根据应用领域的不同设计成型尺寸不同的立体光刻3D打印机，其打印机成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
优选地，S4中，所述烧结采用常规热烧结或微波烧结方式。
优选地，S1-S4的实施均采用自动控制实现。
一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，包括：料浆混合装置，所述料浆混合装置的入口分别与地外行星土壤筛分装置和光固化树脂料盒连接，所述料浆混合装置的出口连接浆料收集储存装置，所述浆料收集储存装置的上方设置有立体光刻3D打印装置，所述浆料收集储存装置的后方设置有烧结装置，其中，所述地外行星土壤筛分装置的入口与气流装置连接。
优选地，所述立体光刻3D打印装置的光源波长为200nm-1000nm，立体光刻3D打印机的成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
优选地，所述烧结装置采用常规热烧结或微波烧结方式。
优选地，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
本发明的有益效果是：本发明提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置，在地外行星微重力等环境下实施和使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，得到符合使用要求的土壤粉末，再将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到地外行星土壤浆料，将混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
附图说明
图1是本发明提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法流程示意图；
图2是本发明提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置结构示意图；
图2中，各符号的含义如下：
1、光固化树脂料盒；2、活塞；3、气流装置；4、土壤筛分装置；5、滤网；6、筛分后的土壤粉末；7、搅拌桨；8、地外行星土壤粉末与光固化树脂混合物；9、浆料混合装置；10、地外行星土壤浆料；11、光源；12、光照射区；13、立体光刻3D打印件；14、浆料收集储存装置；15、烧结装置；16、烧结后零件；17立体光刻3D打印装置。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供了一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，该方法在地外行星微重力环境下实施，包括如下步骤：
S1，采集地外行星土壤，并对其进行筛分，得到粒径范围在0.01μm～20mm的土壤粉末；
S2，将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到粘度范围为2～100Pa·s的地外行星土壤浆料；
S3，利用地外行星土壤浆料，采用立体光刻3D打印成型，得到立体光刻3D打印件，所述打印件的光源像素尺寸最小为50μm，尺寸精度误差在0.5％以内，表面粗糙度在5μm以下；
S4，对立体光刻3D打印件进行烧结，完成复杂结构件的制备。
其中，S2中，将土壤粉末与光固化树脂进行混合时，还可以加入分散剂、消泡剂、或流平剂中的一种或多种。
其中，加入分散剂后，可大幅提高土壤浆料的稳定性与均匀性，延长浆料的保质期；加入消泡剂后，可降低土壤浆料在混匀搅拌过程中产生的气泡数量，从而减少打印件与烧结件的气孔率，从而提高其力学性能；加入流平剂后，可提升打印过程中浆料的流动性，使得浆料可在微重力环境下流动铺平，提高打印精度，在高精度土壤结构件成型过程中尤其重要。
上述方法中，首先从地外行星上采集土壤，然后对其进行筛分，在实际的应用过程中，可以根据不同的应用领域以及制备成型的结构件的尺寸，选择不同规格的筛网，将土壤筛分成不同大小的颗粒。比如，在建筑领域中涉及到的尺寸较大砖块等成型时，筛分后得到的土壤粒径范围可以在0.1μm-20mm，在科研及生活领域所用的尺寸较小的结构件及功能件成型时，筛分后得到的土壤粒径范围可以在0.01μm-1cm。这样可极大限度的实现土壤的原位利用效率。
筛分后得到的土壤粉末在地外行星微重力环境下容易发生漂浮等不稳定的问题，本发明实施例中，为了解决这个问题，将地外行星土壤与光固化树脂混合，从而使得成型过程中材料是精确可控的，避免出现土壤粉末在微重力环境下易漂浮等不稳定问题。
本发明中，将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到的地外行星土壤浆料具有较大的粘度，流动性较差，粘度范围为2～100Pa·s，适合微重力环境下进行立体光刻3D打印成型；而且，本发明中得到的地外行星土壤浆料具有高固含量、高稳定性优势，可保存6～12月，满足了一次配置长久使用的试验需求。
本发明中，将得到的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术相结合进行3D打印成型，可以使得成型的结构件不受几何形状的限制，同时，具有较高的尺寸精度与表面光洁度，经过验证，采用本发明提供的方法得到的结构件，其光源像素尺寸最小可达50μm，尺寸精度误差可在0.5％以内，表面粗糙度可在5μm以下，与采用现有技术得到的复杂结构件相比，不仅精度更高，而且表面粗糙度更低。
而且，材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在建筑领域与科研领域的应用。
所以，采用本发明提供的方法，不仅可以得到结构复杂，不受几何形状限制的结构件，而且结构件的精度更高、表面粗糙度更低，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
本发明中，S1中，所述对其进行筛分，采用气流作为土壤筛分作用力。
由于地外行星上重力作用小，如果只利用重力作用，无法完成对地外行星土壤的筛分，本发明中，采用气流作为土壤筛分作用力，解决了地外行星重力作用小而无法完成分离的问题。
S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，光源波长为200nm-1000nm。
本发明中，可以选用寿命可达5万小时的光源，避免了来回更换光源的麻烦，同时解决了挤出式3D打印过程中容易堵塞打印头的问题。另外，光源的波长也可以根据地外行星具体的地理位置、光照等条件，选择不同的波长，范围可以在200nm～1000nm。
S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，根据应用领域的不同可以设计成型尺寸不同的立体光刻3D打印机，其打印机成型范围可以从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
从而可以打印成型不同应用领域的结构件，所以，采用本发明提供的方法可以适用于多个领域的结构件的制备，基本能够满足地外行星基地的建设需求。
在本发明的另一个实施例中，S4中，所述烧结可以采用常规热烧结或微波烧结方式。
对于结构件的烧结工艺，可以采用常规烧结、微波烧结等多种方式，本发明中，由于微波烧结具有加热速率快、烧结周期短、能量利用率高等优势，适合能源有限的地外行星烧结过程，所以优选采用微波烧结方式。
本发明中，S1-S4的实施均采用自动控制实现。
本发明提供的方法从地外行星土壤采集、筛分、混合、打印成型到烧结等所有步骤均考虑地外行星微重力等环境特点，且均采用自动控制的方式实现，极大的减轻了航天员的负担。
实施例二
如图2所示，本发明实施例提供了一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，包括：料浆混合装置9，所述料浆混合装置9的入口分别与地外行星土壤筛分装置4和光固化树脂料盒1连接，所述料浆混合装置9的出口连接浆料收集储存装置14，所述浆料收集储存装置14的上方设置有立体光刻3D打印装置17，所述浆料收集储存装置14的后方设置有烧结装置15，其中，所述地外行星土壤筛分装置4的入口与气流装置3连接。
上述装置的使用过程为：
如图2所示，通过将料浆混合装置9的入口分别与地外行星土壤筛分装置4和光固化树脂料盒1连接，可以使得筛分后的土壤和光固化树脂分别通过入口进入到料浆混合装置。在使用过程中，首先通过采集机器人开采地外行星土壤，然后将其通过气流装置3发出的气流将土壤装在土壤筛分装置4中，气流的作用使得符合粒径要求的粉末6通过滤网5进入到浆料混合装置9中。光固化树脂通过活塞2从光固化树脂料盒1中进入到浆料混合装置9，在搅拌桨7的搅拌作用下，地外行星土壤粉末与光固化树脂的混合物8变成均匀浆料10，进入到立体光刻3D打印装置17的浆料盒及零件成型区域14中。光源11发出固定波长光12，照射在浆料盒及零件成型区域14上，使得浆料固化成型，通过三维运动机构增加光照范围，逐层打印形成打印件13。机器人将打印件取下放置在烧结装置15中烧结，完成后取出烧结件16，即可进行相应的应用。
采用上述结构的装置，可以实现地外行星土壤与光固化树脂混合，从而使得成型过程中材料是精确可控的，避免出现土壤粉末在微重力环境下易漂浮等不稳定问题。
而且得到的地外行星土壤浆料具有较大的粘度，流动性较差，粘度范围为2～100Pa·s，适合微重力环境下进行立体光刻3D打印成型；而且，本发明中得到的地外行星土壤浆料具有高固含量、高稳定性优势，可保存6～12月，满足了一次配置长久使用的试验需求。
利用本发明提供的装置，可以将得到的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术相结合进行3D打印成型，使得成型的结构件不受几何形状的限制，同时，具有较高的尺寸精度与表面光洁度，经过验证，采用本发明的装置制备得到的结构件，其光源像素尺寸最小可达50μm，尺寸精度误差可在0.5％以内，表面粗糙度可在5μm以下，与采用现有技术得到的复杂结构件相比，不仅精度更高，而且表面粗糙度更低。
可见，采用本发明提供的装置，可以在地外行星的微重力环境等特点的情况下，原位利用地外行星土壤，通过采集、筛分、混合、打印和烧结等过程，不仅能够得到结构复杂，不受几何形状限制的结构件，而且结构件的精度更高、表面粗糙度更低，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
本发明中，所述立体光刻3D打印装置17的光源11波长可以为200nm-1000nm，立体光刻3D打印机的成型范围可以从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
本发明中，所述烧结装置15可以采用常规热烧结或微波烧结方式。
另外，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
采用上述技术特征的有益效果可参见实施例一中的描述，在此不再赘述。
通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本发明提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置，在地外行星微重力等环境下实施和使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，得到符合使用要求的土壤粉末，再将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到地外行星土壤浆料，将混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，该方法在地外行星微重力环境下实施，包括如下步骤：
S1，采集地外行星土壤，并对其进行筛分，得到粒径范围在0.01μm～20mm的土壤粉末；
S2，将土壤粉末与光固化树脂进行混合，得到粘度范围为2～100Pa·s的地外行星土壤浆料；
S3，利用地外行星土壤浆料，采用立体光刻3D打印成型，得到立体光刻3D打印件，所述打印件的光源像素尺寸最小为50μm，尺寸精度误差在0.5％以内，表面粗糙度在5μm以下；
S4，对立体光刻3D打印件进行烧结，完成复杂结构件的制备。
2.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，S1中，所述对其进行筛分，采用气流作为土壤筛分作用力。
3.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，光源波长为200nm-1000nm。
4.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，S3中，所述采用立体光刻3D打印成型，其中，根据应用领域的不同设计成型尺寸不同的立体光刻3D打印机，其打印机成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
5.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，S4中，所述烧结采用常规热烧结或微波烧结方式。
6.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法，其特征在于，S1-S4的实施均采用自动控制实现。
7.一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，包括：料浆混合装置，所述料浆混合装置的入口分别与地外行星土壤筛分装置和光固化树脂料盒连接，所述料浆混合装置的出口连接浆料收集储存装置，所述浆料收集储存装置的上方设置有立体光刻3D打印装置，所述浆料收集储存装置的后方设置有烧结装置，其中，所述地外行星土壤筛分装置的入口与气流装置连接。
8.根据权利要求7所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述立体光刻3D打印装置的光源波长为200nm-1000nm，立体光刻3D打印机的成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
9.根据权利要求7所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述烧结装置采用常规热烧结或微波烧结方式。
10.根据权利要求7所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
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| CN201910040541.XA CN109551763A (zh) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | 一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法和装置 |
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