CN110216290B - 一种微重力环境下材料3d打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微重力环境下材料3D打印系统，属于材料3D打印设备领域。本系统在与外部环境绝热、内部环境惰性气氛保护的密封系统中工作，包括：太空胶囊、打印头子系统、打印平台子系统、控制子系统。本发明喷嘴上部内表面粗糙、产生毛细力拖拽流体定向运动，喷嘴下部内表面光滑、有利于流体微滴加速运动；惰性气体负压驱动实现流体的速度控制；晶振杆实现对流体微滴的尺寸和体积控制。本发明可广泛应用于载人航天器、空间站、太空基地，以及深海潜航器等微重力或无重力的工作环境。

Description

一种微重力环境下材料3D打印系统

技术领域

本发明涉及材料3D打印设备领域，具体涉及一种微重力环境下材料3D打印系统。适用于载人航天器、空间站、太空基地，以及载人深潜器等微重力或无重力的3D打印工作环境。

背景技术

随着科学技术的发展，人类开始走向外太空，未来在太空建立空间站或星球上建立移民基地，已经提上日程。空间站和基地的建设，需要在太空微重力或无重力环境下制作大量的3D打印产品，尤其是强度高的3D打印金属制品，实现空间站、太空基地的工具和零件的快速制造。

目前，地面上的金属材料3D打印技术有多种方式，其中绝大多数技术都要考虑重力的作用。金属粉加粘结剂的粘性流体材料，在3D打印过程中，可以忽略重力的影响，成为微重力环境下实现材料3D打印的主要方式。此外，非金属材料在微重力环境下的3D打印也材料类似的粘性流体材料，如：高分子材料的挤出打印、陶瓷与粘结剂混合材料的挤出打印。

考虑到金属作为结构材料，具有强度、韧性、化学稳定性等优异的综合性能，是空间站和太空基地的主要应用材料，因此在微重力或无重力的太空环境下实现金属材料的3D打印是技术发展的一个重要方向。

与金属粉加粘结剂的混合材料相比，纯金属材料的3D打印制品，在物理和力学性能上明显优于前者。至今，纯金属材料的微重力3D打印技术是一个挑战。

在微重力或无重力环境下，熔化的金属不会形成连续流体，会在表面张力作用下形成无法运动的球形熔滴，因此熔滴的形态、运动和温度控制是金属3D打印的难题。

发明内容

针对现有技术中微重力环境下流体材料因表面张力和粘性力作用容易球化、不利于3D打印，本发明目的在于提供一种微重力环境下材料3D打印系统，采用新的方法解决微重力环境下流体材料的3D打印问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种微重力环境下材料3D打印系统，在与外部环境绝热、内部环境惰性气氛保护的密封系统中工作，包括太空胶囊、打印头子系统、打印平台子系统、控制子系统，所述太空胶囊用于提供支撑和绝热环境；所述打印头子系统、打印平台子系统、控制子系统固定连接在太空胶囊内部基座上。

所述太空胶囊包括密封箱体、密封舱门、箱体固定脚、保温保压装置和外界接口；所述密封箱体为双层结构的球形箱体，内层和外层之间为真空、起到绝热作用，密封箱体内部与外界环境隔绝开来、形成独立系统，实现无热辐射、零排放，不会污染载人航天器、载人深潜器的内部空气；所述密封舱门，与密封箱体活动连接，非工作状态下完成密封箱体内部与外界之间的物质交换，如：设备安装、3D打印件取放，工作状态下完成密封箱体内部与外界之间的密封，形成独立系统；所述箱体固定脚，安装在密封箱体的外界，与空间站、飞船或星体表面固定连接，保证微重力环境下材料3D打印系统的稳定性；所述保温保压装置，固定连接在密封箱体内部，工作状态下在密封箱体内部形成具有一定温度和压力的惰性气氛环境，防止3D打印过程中的材料氧化，减小工件热应力、增加工件致密度，有利于工件成型；所述外界接口，包括连接器、管接头，与密封箱体活动连接，连接器电连接密封箱体内部与外界，管接头气连接密封箱体内部与外界，实现工作状态下微重力环境下材料3D打印系统内部与外界之间能量、物质和信息的交换。

所述打印头子系统，包括打印支架、熔丝送丝模块、气体加热装置、打印头保温装置、喷嘴；所述打印支架与密封箱体固定连接，用以安装熔丝送丝模块、气体加热装置、打印头保温装置、喷嘴；所述熔丝送丝模块与打印支架固定连接，包括熔丝装置、送丝机构，所述送丝机构在熔丝装置上部，控制送丝机构连续或断续送丝给熔丝装置，熔丝装置熔化3D打印丝材，可采用熔炼、电弧、激光等任意一种熔融方式。所述气体加热装置，一端与打印支架固定连接输入未加热的惰性气体，另一端与管接头固定连接输出超压的惰性气体，调节、控制3D打印所需的惰性气体温度和流量；所述打印头保温装置，与喷嘴固定连接，工作状态下在3D打印的正上方区域喷射高温惰性气体保护气流，防止金属微滴过早凝固和氧化。

所述喷嘴具有微通道结构，包括流体通道、晶振杆、出口通道；所述流体通道是流体入口，在喷嘴上部，与熔丝装置连接，其内壁表面有提高流体毛细力的几何结构，熔融的材料在毛细力的驱动下沿着喷嘴内壁定向流动，避免形成大尺寸的、无速度的球形微滴；所述晶振杆，插入喷嘴与流体接触，在高频驱动下产生振动，将流体分割成尺寸和频率都可控的流体微滴；所述出口通道，在喷嘴下部，内壁光滑有利于流体微滴流过；所述气体加热装置加热的惰性气体，从喷嘴的外部流过形成负压区域，拖拽流体微滴加速从出口通道喷射到载物平台，凝固后成型。

所述打印平台子系统，包括平台运动机构、载物平台、平台加热模块、平台保温装置；所述平台运动机构是6自由度机器人，与密封箱体固定连接，工作状态下实现载物平台三维空间的6个自由度运动，完成材料的3D打印成型；所述载物平台，与平台运动机构连接，是材料3D打印成型的平台，其表面粗糙，提供较大的毛细力、吸附凝固的熔融材料；所述平台保温装置，与载物平台上部固定连接；所述平台加热模块，与载物平台下部固定连接；惰性气体在工作状态下被平台加热模块加热，随后从载物平台底部的通气孔进入平台保温装置，在成型材料的周围形成局部保护气氛的环境，保证成型温度、降低成型应力。

所述控制子系统，包括主控板、舱门控制模块、太空胶囊温度及压力控制模块、晶振发生器模块、机器人运动控制模块、熔丝送丝控制模块、气体流量及温度控制模块；所述主控板与各个控制模块电连接，实现对各个控制模块的集成控制、3D打印过程的程序控制；所述舱门控制模块，与密封舱门机械连接，通过主控板控制密封舱门的自动开启和关闭；所述太空胶囊温度及压力控制模块，与管接头机械连接，通过主控板控制和调节太空胶囊内部气氛的温度和压力；所述晶振发生器模块，与晶振杆机械连接、与主控板电气连接，实现对晶振杆的振动频率控制；所述机器人运动控制模块，一端与主控板电连接，另一端与平台运动机构电连接，实现平台运动机构和载物平台的6个自由度空间运动；所述熔丝送丝控制模块，一端与熔丝送丝模块电连接，另一端与主控板电连接，控制熔丝的温度和送丝的速率；所述气体流量及温度控制模块，安装在气体管路上，与主控板电连接，控制工作状态下惰性气流的流量和温度。

3D打印在微通道喷嘴内，采用晶振杆分割流体、惰性气体负压驱动流体微滴的方法；所述3D打印材料为金属丝、塑料丝、复合材料丝等丝材；所述喷嘴上部内表面粗糙、产生毛细力拖拽流体定向运动，喷嘴下部内表面光滑、有利于流体微滴加速运动；所述3D打印系统，通过调节晶振的频率来控制流体微滴的体积，通过调节惰性气体的流量来控制流体微滴的流速，通过调节惰性气体的温度来控制流体微滴的凝固。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的实质性特点和显著优点：

1.本发明基于微通道流体动力学原理，提出了一种微重力环境下材料3D打印系统，解决了流体材料容易球化且无运动速度的难题；

2.本发明采用的喷嘴上部内表面粗糙、产生毛细力拖拽流体定向运动，喷嘴下部内表面光滑、有利于流体微滴加速运动；惰性气体负压驱动，能够实现微重力环境下流体的速度控制；

3.本发明通过晶振杆的振动，实现对流体微滴的尺寸和体积控制，具有结构紧凑、工艺简单、鲁棒性强的优势；

4.本发明采用的流体保温装置，可以根据实际工况，选择合适尺寸和材质的引导罩，调节惰性气体温度来控制流体微滴的温度，使得流体微滴的冷却速率可控，减小制品的热应力、改善3D打印质量；

5.本发明采用外部绝热、内部气氛保护的系统结构设计，在3D打印过程中，既可以实现系统内部的物质和能量交换、恒温与恒压控制，又可以实现系统与外部环境的绝热、保温和无物质交换；

6.本发明采用独立的封闭系统设计，无热辐射、零排放，保证了载人航天器、空间站或深海潜航器的人工大气环境不受污染；

7.本发明采用的多轴机器人打印平台，能够实现多自由度的3D打印；

8.本发明提出的微重力环境下材料3D打印系统，可广泛应用于载人航天器、空间站、太空基地，以及深海潜航器等微重力或无重力的工作环境。

附图说明

图1微重力环境下材料3D打印的原理图。

图2微重力环境下材料3D打印系统的系统结构示意图。

图3微重力环境下材料3D打印系统的打印头子系统示意图。

图4微重力环境下材料3D打印系统的控制子系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明的工作原理为：熔化的金属丝在高毛细力的微通道内形成流体微流体，喷嘴内部晶振杆高频振动形成单分散、高一致性的流体微滴，喷嘴外部惰性气体的流动产生负压区域，进而吸引流体微滴喷射到基板上凝固成型，逐层打印制备3D零件。

实施例1

本实施例应用于封闭的大气环境下材料3D打印，工作环境为密封的大气环境载人航天器或空间站。在轨的载人航天器或空间站是一个大气环境的封闭舱体，在微重力作用下，舱体内的流体容易形成球形；此外，材料3D打印过程中产生的气体等排放物，会严重影响人工大气环境的质量，带来一系列安全隐患。

如图2所示，一种微重力环境下材料3D打印系统，在与外部环境绝热、内部环境惰性气氛保护的密封系统中工作，包括太空胶囊1、打印头子系统2、打印平台子系统3、控制子系统4，所述太空胶囊1用于提供支撑和绝热环境；所述打印头子系统2、打印平台子系统3、控制子系统4固定连接在太空胶囊1内部基座上。

如图2所示，所述太空胶囊1包括密封箱体11、密封舱门12、箱体固定脚13、保温保压装置14和外界接口15；所述密封箱体11为双层结构的球形箱体，内层和外层之间为真空、起到绝热作用，密封箱体11内部与外界环境隔绝开来、形成独立系统，实现无热辐射、零排放，不会污染载人航天器、载人深潜器的内部空气；所述密封舱门12，与密封箱体11活动连接，非工作状态下完成密封箱体11内部与外界之间的物质交换，如：设备安装、3D打印件取放，工作状态下完成密封箱体11内部与外界之间的密封，形成独立系统；所述箱体固定脚13，安装在密封箱体11的外界，与空间站、飞船或星体表面固定连接，保证微重力环境下材料3D打印系统的稳定性；所述保温保压装置14，固定连接在密封箱体11内部，工作状态下在密封箱体11内部形成具有一定温度和压力的惰性气氛环境，防止3D打印过程中的材料氧化，减小工件热应力、增加工件致密度，有利于工件成型；所述外界接口15，包括连接器151、管接头152，与密封箱体11活动连接，连接器151电连接密封箱体11内部与外界，管接头152气连接密封箱体11内部与外界，实现工作状态下微重力环境下材料3D打印系统内部与外界之间能量、物质和信息的交换。

如图2和图3所示，所述打印头子系统2，包括打印支架21、熔丝送丝模块22、气体加热装置23、打印头保温装置24、喷嘴25；所述打印支架21与密封箱体11固定连接，用以安装熔丝送丝模块22、气体加热装置23、打印头保温装置24、喷嘴25；所述熔丝送丝模块22与打印支架21固定连接，包括熔丝装置221、送丝机构222，所述送丝机构222在熔丝装置221上部，控制送丝机构222连续或断续送丝给熔丝装置221，熔丝装置221熔化3D打印丝材；所述气体加热装置23，一端与打印支架21固定连接输入未加热的惰性气体，另一端与管接头152固定连接输出超压的惰性气体，调节、控制3D打印所需的惰性气体温度和流量；所述打印头保温装置24，与喷嘴25固定连接，工作状态下在3D打印的正上方区域喷射高温惰性气体保护气流，防止金属微滴过早凝固和氧化。

如图3所示，所述喷嘴25具有微通道结构，包括流体通道251、晶振杆252、出口通道253；所述流体通道251是流体入口，在喷嘴25上部，与熔丝装置221连接，其内壁表面有提高流体毛细力的几何结构，熔融的材料在毛细力的驱动下沿着喷嘴内壁定向流动，避免形成大尺寸的、无速度的球形微滴；所述晶振杆252，插入喷嘴25与流体接触，在高频驱动下产生振动，将流体分割成尺寸和频率都可控的流体微滴；所述出口通道253，在喷嘴25下部，内壁光滑有利于流体微滴流过；所述气体加热装置23加热的惰性气体，从喷嘴25的外部流过形成负压区域，拖拽流体微滴加速从出口通道253喷射到载物平台32，凝固后成型。

如图2所示，所述打印平台子系统3，包括平台运动机构31、载物平台32、平台加热模块33、平台保温装置34；所述平台运动机构31是6自由度机器人，与密封箱体11固定连接，工作状态下实现载物平台32三维空间的6个自由度运动，完成材料的3D打印成型；所述载物平台32，与平台运动机构31连接，是材料3D打印成型的平台，其表面粗糙，提供较大的毛细力、吸附凝固的熔融材料；所述平台保温装置34，与载物平台32上部固定连接；所述平台加热模块33，与载物平台32下部固定连接；惰性气体在工作状态下被平台加热模块33加热，随后从载物平台32底部的通气孔进入平台保温装置34，在成型材料的周围形成局部保护气氛的环境，保证成型温度、降低成型应力。

如图4所示，所述控制子系统4，包括主控板41、舱门控制模块42、太空胶囊温度及压力控制模块43、晶振发生器模块44、机器人运动控制模块45、熔丝送丝控制模块46、气体流量及温度控制模块47；所述主控板41与各个控制模块电连接，实现对各个控制模块的集成控制、3D打印过程的程序控制；所述舱门控制模块42，与密封舱门12机械连接，通过主控板41控制密封舱门12的自动开启和关闭；所述太空胶囊温度及压力控制模块43，与管接头152机械连接，通过主控板41控制和调节太空胶囊1内部气氛的温度和压力；所述晶振发生器模块44，与晶振杆252机械连接、与主控板41电气连接，实现对晶振杆252的振动频率控制；所述机器人运动控制模块45，一端与主控板41电连接，另一端与平台运动机构31电连接，实现平台运动机构31和载物平台32的6个自由度空间运动；所述熔丝送丝控制模块46，一端与熔丝送丝模块22电连接，另一端与主控板41电连接，控制熔丝的温度和送丝的速率；所述气体流量及温度控制模块47，安装在气体管路上，与主控板41电连接，控制工作状态下惰性气流的流量和温度。

本发明系统的工作过程如下：

调试各子系统，初始化设备，准备3D打印。

微重力环境下流体材料的3D打印步骤：

主控板41控制密封舱门12打开

在送丝机构222内放入打印丝材

检查各个子系统

关闭密封舱门12

主控板41输入打印程序

启动自检打印系统

温度及压力控制模块43控制保热保压装置14工作

调整密封箱体11的惰性气氛压力和温度

准备就绪。

打印头子系统2工作

送丝机构222连续供丝给金属丝材

熔丝装置221熔化金属丝进入喷嘴25

熔滴在毛细力作用下沿着流体通道251向下流动（经过润湿处理的喷嘴内壁不易形成较大尺寸的金属液滴）

晶振发生器模块44控制晶振杆252振动（分割流体为尺寸一致的微滴）

金属微滴进入出口通道253

气体流量及温度控制模块47调节从气体加热装置23流入的惰性气体流量和温度

惰性气体驱动金属微滴以设定的初始速度从出口通道253喷射到载物平台32

平台加热模块33和平台保温装置34控制载物平台32的材料成型温度

金属液滴在载物平台32上凝固成型

机器人运动控制模块45控制平台运动机构31和载物平台32按照程序规定的路径进行运动实现3D打印

主控板41结束打印程序、更改惰性气氛为大气气氛

主控板41控制密封舱门12打开、取出打印件。

实施例2

本实施例应用于开放的太空环境下材料3D打印，在太空基地(如：月球基地)直接暴露在真空环境中，3D打印系统不仅受到宇宙辐射，而且还处于超低温的工作环境。这对3D打印系统提出了极高的要求。

所述微重力环境下材料3D打印系统，在太空胶囊1的密闭箱体内工作。密闭箱体11通过箱体固定脚13安装在太空基地地面上，通过外部接口15连接太空基地配备的电气接口。3D打印系统在工作时内部有一定的温度和压力，球形壳体能够防止密闭箱体11在气压的作用下发生变形，双层绝热结构能够防止密闭箱体11的真空热辐射引起的系统热量损失。

上述的打印流程和有益效果与实例1的具体步骤相同，此处不再赘述。

Claims (5)

1.一种微重力环境下材料3D打印系统，在与外部环境绝热、内部环境惰性气氛保护的密封系统中工作，包括太空胶囊（1）、打印头子系统（2）、打印平台子系统（3）、控制子系统（4），其特征在于：所述太空胶囊（1）用于提供支撑和绝热环境；所述打印头子系统（2）、打印平台子系统（3）、控制子系统（4）固定连接在太空胶囊（1）内部基座上；

所述太空胶囊（1）包括密封箱体（11）、密封舱门（12）、箱体固定脚（13）、保温保压装置（14）和外界接口（15）；所述密封箱体（11）为双层结构的球形箱体，内层和外层之间为真空、起到绝热作用，密封箱体（11）内部与外界环境隔绝开来、形成独立系统，实现无热辐射、零排放，不会污染载人航天器、载人深潜器的内部空气；所述密封舱门（12），与密封箱体（11）活动连接，非工作状态下完成密封箱体（11）内部与外界之间的物质交换，包括设备安装、3D打印件取放，工作状态下完成密封箱体（11）内部与外界之间的密封，形成独立系统；所述箱体固定脚（13），安装在密封箱体（11）的外界，与空间站、飞船或星体表面固定连接，保证微重力环境下材料3D打印系统的稳定性；所述保温保压装置（14），固定连接在密封箱体（11）内部，工作状态下在密封箱体（11）内部形成具有一定温度和压力的惰性气氛环境，防止3D打印过程中的材料氧化，减小工件热应力、增加工件致密度，有利于工件成型；所述外界接口（15），包括连接器（151）、管接头（152），与密封箱体（11）活动连接，连接器（151）电连接密封箱体（11）内部与外界，管接头（152）气连接密封箱体（11）内部与外界，实现工作状态下微重力环境下材料3D打印系统内部与外界之间能量、物质和信息的交换。

2.根据权利要求1所述的一种微重力环境下材料3D打印系统，其特征在于：所述打印头子系统（2），包括打印支架（21）、熔丝送丝模块（22）、气体加热装置（23）、打印头保温装置（24）、喷嘴（25）；所述打印支架（21）与密封箱体（11）固定连接，用以安装熔丝送丝模块（22）、气体加热装置（23）、打印头保温装置（24）、喷嘴（25）；所述熔丝送丝模块（22）与打印支架（21）固定连接，包括熔丝装置（221）、送丝机构（222），所述送丝机构（222）在熔丝装置（221）上部，控制送丝机构（222）连续或断续送丝给熔丝装置（221），熔丝装置（221）熔化3D打印丝材；所述气体加热装置（23），一端与打印支架（21）固定连接输入加热的惰性气体，另一端与管接头（152）固定连接输出加热的惰性气体，调节、控制3D打印所需的惰性气体温度和流量；所述打印头保温装置（24），与喷嘴（25）固定连接，工作状态下在3D打印的正上方区域喷射高温惰性气体保护气流，防止金属微滴过早凝固和氧化。

3.根据权利要求2所述的一种微重力环境下材料3D打印系统，其特征在于：所述喷嘴（25）具有微通道结构，包括流体通道（251）、晶振杆（252）、出口通道（253）；所述流体通道（251）是流体入口，在喷嘴（25）上部，与熔丝装置（221）连接，其内壁表面有高毛细力的几何结构，熔融的材料在毛细力的驱动下沿着喷嘴内壁定向流动，避免形成大尺寸的、无速度的球形微滴；所述晶振杆（252），插入喷嘴（25）与流体接触，在高频驱动下产生振动，将流体分割成尺寸和频率都可控的流体微滴；所述出口通道（253），在喷嘴（25）下部，内壁光滑有利于流体微滴流过；所述气体加热装置（23）加热的惰性气体，从喷嘴（25）的外部流过形成负压区域，拖拽流体微滴加速从出口通道（253）喷射到载物平台（32），凝固后成型。

4.根据权利要求1所述的一种微重力环境下材料3D打印系统，其特征在于：所述打印平台子系统（3），包括平台运动机构（31）、载物平台（32）、平台加热模块（33）、平台保温装置（34）；所述平台运动机构（31）是6自由度机器人，与密封箱体（11）固定连接，工作状态下实现载物平台（32）三维空间的6个自由度运动，完成材料的3D打印成型；所述载物平台（32），与平台运动机构（31）连接，是材料3D打印成型的平台，其表面粗糙，提供较大的毛细力、吸附凝固的熔融材料；所述平台保温装置（34），与载物平台（32）上部固定连接；所述平台加热模块（33），与载物平台（32）下部固定连接；惰性气体在工作状态下被平台加热模块（33）加热，随后从载物平台（32）底部的通气孔进入平台保温装置（34），在成型材料的周围形成局部保护气氛的环境，保证成型温度、降低成型应力。

5.根据权利要求1所述的一种微重力环境下材料3D打印系统，其特征在于：所述控制子系统（4），包括主控板（41）、舱门控制模块（42）、太空胶囊温度及压力控制模块（43）、晶振发生器模块（44）、机器人运动控制模块（45）、熔丝送丝控制模块（46）、气体流量及温度控制模块（47）；所述主控板（41）与各个控制模块电连接，实现对各个控制模块的集成控制、3D打印过程的程序控制；所述舱门控制模块（42），与密封舱门（12）机械连接，通过主控板（41）控制密封舱门（12）的自动开启和关闭；所述太空胶囊温度及压力控制模块（43），与管接头（152）机械连接，通过主控板（41）控制和调节太空胶囊（1）内部气氛的温度和压力；所述晶振发生器模块（44），与晶振杆（252）机械连接、与主控板（41）电气连接，实现对晶振杆（252）的振动频率控制；所述机器人运动控制模块（45），一端与主控板（41）电连接，另一端与平台运动机构（31）电连接，实现平台运动机构（31）和载物平台（32）的6个自由度空间运动；所述熔丝送丝控制模块（46），一端与熔丝送丝模块（22）电连接，另一端与主控板（41）电连接，控制熔丝的温度和送丝的速率；所述气体流量及温度控制模块（47），安装在气体管路上，与主控板（41）电连接，控制工作状态下惰性气流的流量和温度。

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