CN110405903B - 一种适用于挤出的月壤混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种适用于挤出的月壤混凝土及其制备方法，主要用于航天、航空、建筑涂料等技术领域。月壤“混凝土”混合式3D打印技术是未来月球后续月面基地建设的重要关键技术，月壤模拟物混合式3D打印装置通过设计月壤模拟物混合式3D打印头，可实现连续可控的月壤“混凝土”的挤出成型。混合式3D打印头是月壤混合式打印装置的关键组件，用来实现月壤“混凝土”连续、可控地挤出。它是一个集驱动电机、联轴器、螺杆泵、接口、螺杆挤出装置、打印喷嘴等零部件为一体的功能组件，实现月壤“混凝土”材料连续、可控地挤出成形。

Description

一种适用于挤出的月壤混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种适用于挤出的月壤“混凝土”及其制备方法，主要用于航天、航空、建筑涂料等技术领域。
背景技术
我国嫦娥探月工程发展计划已成功完成了“绕”和“落”两阶段，即将开始“回”的第三阶段。在月球上建立长期的生活、科研基地，越来越成为一个可以实现的计划。建立月基大型设施可以带来诸多好处，可以依靠月球无大气层等优势更好地开展空间观测等科学活动，可以成为人类未来从事科学研究的前哨阵地，可以开采月球上存在的丰富的月壤资源，可以依靠月球作为平台为我国进行深空探索提供重要支持。实际月壤的形成主要受物理破碎作用控制，陨石和微陨石撞击在其中起主导作用。由于陨石装置撞击产生高温熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘结颗粒，以及玄武岩、角砾岩碎块等，颗粒组成较为复杂，内部缺水，整体表现为散体颗粒性质。月壤呈现出以下典型性质：(1)内摩擦角度大，由于缺少水力、风力的搬运、磨蚀作用，月壤的颗粒棱角一般都很明显，导致内摩擦角较大，密实月壤内摩擦角高达50°。(2)密实度高，月壤的形成经历长期陨石冲击，冲击形成的振动导致月壤呈现出非常高的密实度。(3)月壤级配复杂且不同着陆区域的月壤存在不确定性。
在月球上建立长期的生活需要月面基地建设，进行月面基地建设所能够使用的原位资源基本上为月壤。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种适用于挤出的月壤“混凝土”及其制备方法。
本发明的技术解决方案是：
一种适用于挤出的月壤“混凝土”，该月壤“混凝土”包括月壤模拟物、硅酸钙和水；以月壤模拟物的质量为100份计算，硅酸钙的质量份数为45-46份，水的质量份数为54-55份，月壤模拟物(lunar regotlth simulants，也称为模拟月壤)。
一种适用于挤出的月壤“混凝土”的制备方法，该方法所使用到的装置包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴；打印喷嘴包括喷头和外壳，喷头的材料为尼龙，外壳的材料为316不锈钢；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中物料的混合挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型；
该方法的步骤为：将适用于挤出的月壤“混凝土”通过螺杆挤出装置上的进料口加入到螺杆挤出装置中，然后启动驱动电机，完成月壤“混凝土”的挤出成型。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)连续、可控的小批量供料模式，通过连接一定尺寸的3D打印漏斗，实现小批量月壤模拟物混合物的即时加注，防止大量浆料短时凝固造成打印头的堵塞和报废，更容易实现工艺参数的调控。
(2)通过采用一定长度的抗高压管实现连续、可控的大批量供料模式，能够实现最大运动行程为2m*2m*1m的月壤模拟物混合式3D打印。通过在打印头上设置进料接口，通过在打印头上设置进料接口，能够连接抗高压管的出料端，搅拌好的月壤模拟物浆料通过螺杆送料装置的进料口进入到抗高压管的出料口后进入打印头，通过抗高压管的进料口和出料口形成循环系统，实现混合后的月壤“混凝土”的流动传输，通过驱动电机控制混合均匀的浆料进入到打印头，以实现2m*2m*1m大型结构样件制造。
(3)月壤混凝土混合式3D打印技术是未来月球后续月面基地建设的重要关键技术，月壤模拟物混合式3D打印装置通过设计月壤模拟物混合式3D打印头，可实现连续可控的月壤“混凝土”的挤出成型。混合式3D打印头是月壤混合式打印装置的关键组件，用来实现月壤“混凝土”连续、可控地挤出。它是一个集驱动电机、联轴器、螺杆泵、接口、螺杆挤出装置、打印喷嘴等零部件为一体的功能组件，实现月壤“混凝土”材料连续、可控地挤出成形。
(4)目前建筑材料用混凝土3D打印装置通常将搅拌好的浆料通过置于挤出头上方的金属进料漏斗进入挤出装置，而挤出头末端出料数量有限，需要多次通过金属进料漏斗加料，不能持续地连续供料。而大批量加料有两方面的局限性，一是容易造成原材料的浪费，二是在月壤“混凝土”混合工艺初始试验阶段，由于混合物的固化速度过快容易造成打印头的堵塞甚至报废。
(5)解决月壤“混凝土”加料数量不合适或混合工艺试验阶段的打印头易堵塞的难题，并且打印漏斗和喷嘴通过3D打印成型，容易替换、成本较低，既能满足工艺试验时小批量月壤“混凝土”浆料的加注，也能满足最大行程为2m*2m*1m大型结构用大批量月壤“混凝土”浆料的加注。
(6)尤其是一种颗粒尺寸为10-100μm、质量轻、比表面积大的月壤模拟物的混合式3D打印，并能实现小批量月壤模拟物加注和大批量月壤模拟物的连续加注，在螺杆送料装置供给月壤“混凝土”过程中，为了避免扬程损失而增加了推动力，从而造成管内具有一定的压力，为了防止管道爆裂，使用了抗高压管。通过在打印头上设置进料接口，能够连接抗高压管的出料端，搅拌好的月壤模拟物浆料通过螺杆送料装置的进料口进入到抗高压管的出料口后进入打印头，通过抗高压管的进料口和出料口形成循环系统，实现混合后的月壤“混凝土”的流动传输，通过驱动电机控制混合均匀的浆料进入到打印头，以实现2m*2m*1m大型结构件的制造。并且该打印头进料接口能连接一定尺寸的3D打印漏斗，能够实现小批量的月壤模拟物浆料的直接加注，适用于待打印结构件起始试验阶段的工艺摸索试验。
附图说明
图1本发明的装置的结构示意图；
图2本发明的装置的内部结构示意图；
图3本发明的打印头连接进料漏斗示意图。
具体实施方式
通过在打印头上设置进料接口，能够连接抗高压管的出料端，实现最大行程为2m*2m*1m的大型结构件打印，并且打印头上可以连接一定尺寸的3D打印漏斗，实现小批量月壤模拟物混合物的即时加注，防止大量浆料短时凝固造成打印头的堵塞甚至报废，更容易实现工艺参数的调控。
步骤1：利用造型软件进行打印头组件结构设计。
步骤2：选取打印精度为0.1mm的3D打印材料(比如尼龙)作为打印头喷头的材料，保证月壤“混凝土”浆料的可控挤出。
步骤3：选取耐腐蚀性好的材料(比如316不锈钢)作为打印头外壳材料，减少月壤“混凝土”材料对打印头的腐蚀。
步骤4：在打印头上连接进料漏斗，将月壤模拟物等混合物倒入进料漏斗中，打开电机开关，混合浆料经过腔体进入打印头，可进行小批量打印。
步骤5：在打印头上连接抗高压管的一端，抗高压管的另一端连接到螺杆送料装置，月壤浆料从螺杆送料装置挤出后，通过抗高压管输送到打印喷头。
步骤6：使用挤出命令，月壤浆料从喷头中挤出。通过驱动电机的转速控制喷嘴的流量，配合3D打印装置运动速度，进而实现月壤“混凝土”连续、可控的挤出成型。
实施例
一种适用于挤出的月壤“混凝土”，使用一定比例的月壤模拟物和添加剂均匀混合后，制备出粘稠状的适合月面设施3D打印的混合材料体系。月壤模拟物和添加剂组成的混合材料体系的重量比例为：月壤模拟物的质量为100kg计算，硅酸钙水泥的质量份数为45.5kg，水的质量份数为54.8kg。
一种适用于挤出的月壤“混凝土”的制备方法，该方法所使用到的装置包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴，如图1-3所示，打印喷嘴的材料为尼龙；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中物料的混合挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型；
该方法的步骤为：将适用于挤出的月壤“混凝土”通过螺杆挤出装置上的进料口加入到螺杆挤出装置中，然后启动驱动电机，完成月壤“混凝土”的挤出成型。
采用PA12材料制成的带内螺纹的3D打印喷头，精度达到0.1mm，喷头通过内螺纹连接到螺杆挤出装置末端，能够满足月壤模拟物混合式3D打印成型和力学性能要求，并且月壤模拟物和添加剂组成的混合材料流经喷嘴处较容易挤出和分离，长时间工作后容易拆解和更换。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种适用于挤出的月壤“混凝土”，其特征在于：该月壤“混凝土”包括月壤模拟物、硅酸钙和水；以月壤模拟物的质量份数为100份计算，硅酸钙的质量份数为45-46份，水的质量份数为54-55份；
月壤模拟物的质量为100kg；
硅酸钙的质量为45.5kg；
水的质量为54.8kg；
该适用于挤出的月壤“混凝土”的制备方法，步骤为：将月壤“混凝土”通过螺杆挤出装置上的进料口加入到螺杆挤出装置中，然后启动驱动电机，完成适用于挤出的月壤“混凝土”的挤出成型；
该方法所使用到的装置包括驱动电机、联轴器、螺杆挤出装置和打印喷嘴；
驱动电机与联轴器连接，联轴器与螺杆挤出装置连接，打印喷嘴连接在螺杆挤出装置的挤出端；螺杆挤出装置上带有进料口；
驱动电机启动后带动联轴器转动，联轴器带动螺杆挤出装置中的螺杆转动，螺杆转动过程中实现对螺杆挤出装置中物料的混合挤出，挤出物通过打印喷嘴进行打印成型；
打印喷嘴包括喷头和外壳；
喷头的材料为尼龙；
打印喷头的精度为0.1mm；
外壳的材料为316不锈钢。
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