CN110625258B - 一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，使用金属丝材为制备原料，采用高能束热源为能量，用于失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造。采用轻质化的腔体设计与紧凑型的运动系统布置，提升成型区有效空间与系统占用空间比值，满足失重飞行实验平台机械和电气约束条件，开展失重飞行周期性微重力环境下的金属增材制造实验；配备可调真空系统，保证金属丝材增材制造全过程在真空环境中；完整记录制造过程及状态数据，为制造过程的观察与回溯提供技术保障；使用环列式高能束热源聚焦小直径光斑，配合精确送丝系统，保证热源与原材料的对称与同心，实现精密制造。

Description

一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置

技术领域

本发明属于空间制造与材料科学交叉学科领域，涉及一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置。

背景技术

为满足太空探索中的补给保障，降低运输压力、减少备件数量、及时应对突发状况，同时拓展在轨零部件制造技术，助力深空探索技术的发展，国际上正积极开展太空增材制造技术方面的研究，该研究将为实现空间站即造即用后勤保障提供关键科学基础和关键技术基础，并为满足国家在航空航天、国防军工等领域的重大战略需求提供支撑。

鉴于太空中不同于地球表面的高真空度、零重力等外部环境特点，如何在近地模拟太空环境，并基于模拟环境验证太空增材制造技术，尤其是以金属为原材料的增材制造已成为探索太空增材制造技术中的瓶颈难题。

失重飞行是指利用改装后的飞机进行周期性的抛物线飞行获得周期性的微重力周期，相较传统落塔试验，失重飞行试验具有更长的失重时间，相对稳定的加速度周期，通常单架次飞行时长在2～3小时左右，单架次飞行可执行30次以上抛物线失重飞行，为空间金属增材制造提供了更优的微重力实验条件。

落塔试验技术是开展微重力科学和应用工作的基本手段之一，受限于微重力试验时间、微重力加速度水平以及可允许试验设备的重量和容积等条件限制，大多空间微重力探索试验无法利用其开展，如中国科学院力学研究所建成的微重力落塔，塔高116m，自由落体实验仅获得3.60s的微重力时间，最大冲击加速度＜15g，对于需要一定时长进行金属件制备的空间金属增材制造，无法满足其需求。

发明内容

本发明提供一种面向失重飞行和真空工况的高能束金属增材制造装置，拓展现有太空增材制造试验研究技术路线，搭建近地空间金属增材制造验证平台，解决除搭载科学卫星及进入空间站外，近地无法同时模拟太空微重力和真空环境进行金属增材制造验证的瓶颈问题。

一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定。

作为优选，所述实验装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

作为优选，所述真空系统包括真空腔门、真空腔体、真空规、真空泵和真空阀；

所述真空腔体和腔门采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；

所述真空泵采用多级串联方式保持腔体压力维持在一定真空度；

所述真空泵通过真空规获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停。

作为优选，所述真空泵包括干泵、罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。

作为优选，所述真空阀包括用于节流调速的蝶阀、球阀、隔膜阀、挡板阀、插板阀、角阀和直通阀中的一种或几种。

作为优选，所述真空规包括热偶规、电阻规、热阴极规、冷阴极规和复合规中的一种或几种。

作为优选，所述金属熔融系统使用单路或多路高能束热源作为熔融金属丝材的能量源，多路热源熔融金属丝材时，采用环列式排布，金属丝材位于多路热源中心，多路热源相对金属丝材均匀分布。

作为优选，所述高能束机构热源包括激光束、电子束和离子束中的一种或几种。

作为优选，所述多路高能束热源数量为2-20。

作为优选，所述运动系统包括平面运动机构、垂直运动机构和送丝机构；

所述平面运动机构包含不少于2个自由度，其中1个自由度采用滚珠花键配合同步带传动方式，以减少平面运动机构占用空间，基板与平面机构连接并在平面机构的驱动下实现沿水平面的单轴直线运动和多轴耦合曲线运动；

所述垂直运动机构包含多组升降单元，多组升降单元双端对称外置式分布，以最大限度保证成型区空间，平面运动机构同垂直运动机构连接，用于实现基板垂直升降；

所述送丝机构包括丝盘、丝盘限位器、送丝器和导丝管，所述丝盘悬挂固定，丝盘限位器与丝盘相连接，用以限制丝盘除旋转方向外的自由度，所述送丝器通过低转矩真空电机驱动单组或多组成对送丝轮碾压出丝，在送丝器的出丝端设置有导丝管用于精定位导向。

作为优选，所述监测系统包括失重飞行加速度采集器、热电偶、高速红外热像仪、高速摄像机、焊接相机和照明光在内的测量、观测及辅助照明工具；

所述监测系统连续采集并记录失重飞行过程中的三轴加速度数据；

所述监测系统采集成型过程中的高速影像，记录金属丝材熔融成形的全过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征。

作为优选，所述三轴加速度正方向分别为飞行器底板指向顶板、飞行器尾部指向头部和飞行器左侧指向右侧。

作为优选，所述监测系统在观测物距不小于300mm时，清晰记录成型过程中不大于10mm×10mm视场的影像(覆盖最大熔体区间)。

如上所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置在失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造中的应用。

运用如上所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置制造出的结构体。

有益效果在于：

本发明提供提供一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，为金属空间增材制造的近地验证提供了有效的技术平台：采用轻质化的腔体设计和紧凑的系统布置，最大限度提升成型区有效空间与系统占用空间比值，满足失重飞行实验平台机械和电气约束条件，使装置可在失重飞行产生的周期性微重力环境下进行金属增材制造实验；装置配备可调真空系统，保证金属丝材增材制造全过程在真空环境中；具备在微重力和真空环境中模拟太空关键条件的工况下，完整记录制造过程及状态数据的能力，记录金属增材制造过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征，为制造过程的观察与回溯提供技术保障；使用环列式高能束热源聚焦小直径光斑，配合精确送丝系统，保证热源与原材料的对称与同心，实现精密制造。

附图说明

图1为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置正视图；

图2为金属增材制造装置中真空系统的轴侧示意图；

图3为金属增材制造装置中金属熔融系统正视图；

图4为金属增材制造装置中运动系统轴侧示意图；

图5为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置实物图。

附图各部件标记如下：

真空系统10，金属熔融系统20，运动系统30，监测系统40，失重飞行机舱轨道对接板50；

真空腔门11，真空腔体12，观察窗13，加强筋14，真空规15，分子泵16，干泵17；

第一聚焦光路21，第二聚焦光路22，第三聚焦光路23，第四聚焦光路24，第五聚焦光路25，安装座26，送丝嘴27，光束汇聚点28，来料丝材29；

平面运动机构31，第一垂直运动机构32，第二垂直运动机构33，机架34，导丝管35，送丝器36，丝盘37，丝盘限位器38，基板39。

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如附图1所示为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置正视图；附图5所示为一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置实物图；本发明一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，包括真空系统10，金属熔融系统20，运动系统30和监测系统40，金属熔融系统20安装于运动系统30的机架顶板上侧，与送丝机构送出的金属丝材对心，运动系统30固定在真空系统10的真空腔体内侧底面，监测系统40安装于真空系统10的腔体内外侧，真空系统10固接在失重飞行机舱轨道对接板50上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板50与失重飞机连接固定。飞机开始失重飞行后，真空系统10工作保持腔体真空度维持在中高真空范围，运动系统30中送出金属丝材，金属熔融系统20利用高能束热源作为能量将金属丝材熔融在基板上，运动系统30带动基板按规划路径多自由度运动使金属丝材熔融成型为预定形貌零件，增材制造过程中，监测系统40中的高速摄像机和焊接相机记录金属丝材熔融成型全过程，高速红外热像仪记录熔池区间的温度区间分布，失重飞行加速度传感器采集失重周期数据，指导并调整零件成形策略。

如附图2所示为金属增材制造装置中真空系统的轴侧示意图，本优选例中真空系统10包括真空腔门11，真空腔体12，观察窗13，加强筋14，真空规15，分子泵16和干泵17，真空腔体12和真空腔门11采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；真空系统10使用分子泵16和干泵17两级串联方式将腔体工作压力保持在1～10^-5Pa之间，分子泵16和干泵17通过真空规15获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停从而保持真空系统压力。

如附图3所示为金属增材制造装置中金属熔融系统正视图，本优选例中金属熔融系统包括第一聚焦光路21，第二聚焦光路22，第三聚焦光路23，第四聚焦光路24，第五聚焦光路25，安装座26和送丝嘴27，5路聚焦光路结构相同，均采用光纤、聚焦透镜组和反射镜组合而成，环列均布固定在安装座26上。金属熔融系统使用5路光纤耦合输出半导体激光器作为能量源，第一聚焦光路21，第二聚焦光路22，第三聚焦光路23，第四聚焦光路24和第五聚焦光路25沿来料丝材29轴线方向均匀布置形成环列式激光聚焦系统，5路光纤耦合输出半导体激光器出光后，沿着5路光纤，依次经过光纤出头、聚焦镜组、反射镜后形成激光光束汇聚点28，来料丝材29与光束汇聚点28在结构上保持同心，5束激光在金属丝材表面形成环形均匀加热区域，激光聚焦后形成小直径光斑，金属丝材经固定在安装座26上的送丝嘴27出丝，与光斑相遇熔融成型，在保证热源与原材料的对称与同心情况下实现金属增材的精密制造。5路激光配置单路出光功率不低于60W，激光器温控方式为TEC风冷控制。

如附图4所示为金属增材制造装置中运动系统轴侧示意图，本优选例中运动系统包括平面运动机构31、垂直运动机构和送丝机构，其中垂直运动机构包括第一垂直运动机构32和第二垂直运动机构33，送丝机构包括导丝管35，送丝器36，丝盘37和丝盘限位器38。

平面运动机构31包含XY方向2个自由度，其中X轴运动由真空电机驱动丝杆带动，Y轴运动由真空电机驱动花键带动同步带运动，实现紧凑化布局，基板39连接在平面运动机构31上，通过XY轴配合实现沿水平面的单轴直线运动和双轴耦合曲线运动。

垂直运动机构中的第一垂直运动机构32和第二垂直运动机构33固定在机架34两侧，呈双端对称外置式分布，平面运动机构31连接在第一垂直运动机构32和第二垂直运动机构33上，实现基板39在Z轴方向升降。基板成型区域及待成型零件尺寸最大为150mm×120mm×100mm，机架34外包络尺寸仅为465mm×360mm×240mm，最大限度保证成型区空间。

送丝机构中丝盘37采用大直径薄盘低阻尼旋转结构，轴线垂直固定于真空腔体内顶部，丝盘37绕丝半径240mm，厚度16mm，内置真空轴承降低旋转阻力，外侧对称分布3组弹性滚动摩擦式丝盘限位器38，约束丝盘37除旋转方向外的自由度，低转矩真空电机驱动的送丝器36使用一对送丝轮从远端碾压出丝，低摩擦导丝管35配合精定位导向。

本发明具体涉及的金属丝材包含纯金属或合金，金属丝材为铝、镁、锂、钠、钾、钙、锶、钡、钛、铁、钴、镍、铜、锌、镓、银、金、铂、铬、镉、铟、锡、锑、铅、汞、铋、钽、铪、钨、钇、锆、碲、稀土金属以及上述金属所组成的合金。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (9)

1.一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定；

金属熔融系统包括第一聚焦光路，第二聚焦光路，第三聚焦光路，第四聚焦光路，第五聚焦光路，安装座和送丝嘴，5路聚焦光路结构相同，均采用光纤、聚焦透镜组和反射镜组合而成，环列均布固定在安装座上，所述金属熔融系统使用5路光纤耦合输出半导体激光器作为能量源，第一聚焦光路，第二聚焦光路，第三聚焦光路，第四聚焦光路和第五聚焦光路沿来料丝材轴线方向均匀布置形成环列式激光聚焦系统，5路光纤耦合输出半导体激光器出光后，沿着5路光纤，依次经过光纤出头、聚焦镜组、反射镜后形成激光光束汇聚点，来料丝材与光束汇聚点在结构上保持同心，5束激光在金属丝材表面形成环形均匀加热区域，激光聚焦后形成小直径光斑，金属丝材经固定在安装座上的送丝嘴出丝，与光斑相遇熔融成型；

所述运动系统包括平面运动机构、垂直运动机构和送丝机构；

所述平面运动机构包含不少于2个自由度，其中1个自由度采用滚珠花键配合同步带传动方式，另1个自由度采用丝杆传动方式，以减少平面运动机构占用空间，实现紧凑化布局，基板与平面机构连接并在平面机构的驱动下实现沿水平面的单轴直线运动和多轴耦合曲线运动；所述送丝机构包括丝盘、丝盘限位器、送丝器和导丝管，所述丝盘悬挂固定，丝盘限位器与丝盘相连接，用以限制丝盘除旋转方向外的自由度；低转矩真空电机驱动的送丝器从远端出丝；

所述丝盘采用大直径薄盘低阻尼旋转结构，其轴线垂直固定于真空腔体内顶部，所述丝盘内置真空轴承降低旋转阻力，其外侧对称分布三组丝盘限位器；

所述监测系统包括失重飞行加速度采集器、热电偶、高速红外热像仪、高速摄像机、焊接相机和照明光在内的测量、观测及辅助照明工具；所述监测系统连续采集并记录失重飞行过程中的三轴加速度数据；所述监测系统采集成型过程中的高速影像，记录金属丝材熔融成形的全过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征。

2.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述金属增材制造装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

3.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空系统包括真空腔门、真空腔体、真空规、真空泵和真空阀；

所述真空腔体和腔门采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；

所述真空泵采用多级串联方式保持腔体压力维持在一定真空度；

所述真空泵通过真空规获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停。

4.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空泵包括罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空规包括热偶规、电阻规、热阴极规、冷阴极规和复合规中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述三轴加速度正方向分别为飞行器底板指向顶板、飞行器尾部指向头部和飞行器左侧指向右侧。

7.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述监测系统在观测物距不小于300mm时，清晰记录成型过程中不大于10mm×10mm视场的影像。

8.如权利要求1~7任一项所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置在失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造中的应用。

9.运用如权利要求1~7任一项所述的面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置制造出的结构体。

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