CN110861302A - 一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法 - Google Patents

一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法，装置包括增材制造机构、取样传递机构、储料送丝机构和机架。其中，增材制造机构包括熔融挤出头，非平面热床系统，旋转传动系统，垂直传动系统和平面传动系统I；熔融挤出头固定于平面传动系统I，平面传动系统I连接在垂直传动系统上，垂直传动系统竖直安装于机架底板，顶端与机架顶板连接；垂直传动系统带动熔融挤出头沿Z轴方向上下运动，平面传动系统I带动熔融挤出头沿X轴方向左右运动。本装置可有效减少增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题。通过熔融延伸的增材制造方式，实现设计长度的杆梁结构单元制备。

Description

一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备 方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体涉及一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法。
背景技术
随着人类对太空的认知和相关技术的发展，太空活动不再局限在载人航天、空间站驻留等近地轨道，在美国、欧洲、俄罗斯及中国规划的太空探索任务中，“深空、长时”成为未来太空探索任务的主要特点，而随之而来的问题是后勤资源补给及航天器/航天基地在轨维修、拓展等棘手难题。目前国际空间站通常是每隔一定周期通过地面发射运载火箭和飞船进行资源运输补给，以满足空间站正常消耗和零部件更换。这种资源补给方式不仅周期长、成本昂贵，而且存在一定的发射风险。未来人类在进行“深空、长时”的太空探索活动时，这种高频率的从地面发射货运飞船进行资源补给的方式在时效性、成本等方面将难以满足空间飞行器运行维护要求，根据实时需求在太空中实现“即造即用”的维护、维修方式将可为开展“深空、长时”太空探索活动提供有效后勤保障能力。
增材制造(3D打印)技术因其能够实现结构与零部件的“即造即用”，而被认为是目前最有优势的空间制造技术。美国国家航空航天局(NASA)将空间增材制造技术视为支持载人登陆火星等深空探测任务的战略性关键技术。NASA及欧洲太空总署等组织均已制定空间增材制造路线图，明确了空间增材制造技术在太空探索活动中的重要地位。NASA为了初步实现空间塑料和金属零部件成形能力，部署了多项预先研究项目。针对复合材料的空间增材制造技术，NASA与空间制造(Made In Space)公司合作，已经在国际空间站成功完成了熔融层积(FDM)工艺的塑料3D打印机成形试验，并开始了商业化运行。
随着我国空间站、月球及火星等空间探索任务的相继制定和发布，发展我国自主的空间增材制造技术具有重要的战略先导性。空间增材制造技术作为空间飞行器在轨维护系统的战略性关键技术之一，在未来的空间飞行器的基础上，发展空间在轨制造能力、建立空间制造中心，实现具有设备零部件与功能性结构的在轨制造将成为未来空间飞行器在轨维护与功能拓展的不可或缺的手段，并成为未来地面或深空探测与空间利用的重要技术保障。
现有增材制造技术，受增材制造成形腔体的空间约束，以及机械控制系统的工位局限，因此，很难在有限的增材制造成形空间中，制备出超长的异形杆梁结构件。而这类杆梁结构件是构筑大型桁架或支持结构的关键部件。
因此，以大型桁架为目标，杆梁结构舱外在轨增材制造技术与装置尤为重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：突破结构尺寸受火箭运载空间和发射过程严苛力学环境的限制约束，以杆梁结构和大型杆梁结构为目标，设计制备连续式杆梁结构舱外在轨增材制造装置。
为解决上述技术问题，本发明提出了一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法，具体技术方案如下。
本发明中，其中的一个技术方案是一种熔融层积增材制造机构，包括熔融挤出头，非平面热床系统，垂直传动系统和平面传动系统I。
进一步，所述熔融挤出头固定于平面传动系统I，平面传动系统I连接在垂直传动系统上，垂直传动系统竖直安装于机架底板，顶端与机架顶板连接；垂直传动系统带动熔融挤出头沿Z轴方向上下运动，平面传动系统I带动熔融挤出头沿X轴方向左右运动。
进一步，所述非平面热床系统水平安装于机架底板，非平面热床系统沿基础管体轴线方向旋转运动。
本发明中的非平面热床系统，是一种用于增材制造的非平面热床，包括非平面基板、加热单元、支撑单元和旋转驱动单元；所述加热单元安装于非平面基板中，支撑单元定位非平面基板位置，非平面基板同旋转驱动单元连接，配合增材制造喷头以设定的旋转方式运动，通过加热单元实现温度有效控制，完成不同形状、不同尺寸管体结构的增材制造。
进一步，所述非平面基板的外形特征包括圆柱形管体，棱柱形管体，斜棱柱形管体，圆台形管体，棱台形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
进一步，所述非平面热床加热单元的加热方式包括接触式和非接触式两类，包含但不限于热电偶、热风、热辐射、激光、红外、电磁感应、工质导热中的一种或几种。
本发明中，其中的一个技术方案是一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置包括熔融层积增材制造机构、取样传递机构、储料送丝机构和机架，通过熔融延伸增材制造方式，制备符合设计长度的杆梁结构单元。
进一步，所述熔融层积增材制造机构、取样传递机构和储料送丝机构安装于机架上。
本发明中，所述取样传递机构包括平面传动系统II，机械手爪I和机械手爪II，其中机械手爪I和机械手爪II结构一致，由机身，夹持手指I和夹持手指II组成。
进一步，所述机械手爪I和机械手爪II随平面传动系统II的动作沿X轴方向左右移动，当与非平面热床长度相当的基础管体制备完成后，两组机械手爪配合将基础管体从热床首端移动至尾端，继续熔融延伸制造，重复直至成为设计长度的杆梁结构单元，两组机械手爪配合最终将杆梁结构单元从热床取出；其取样方式包括但不限于推送夹持取样、拉伸夹持取样和旋转夹持取样中的一种或几种。
本发明中，所述储料送丝机构包括送丝系统和储料系统，其中送丝系统水平固定于机架顶板，储料系统垂直固定于机架背板，送丝系统和储料系统通过聚四氟乙烯软管连接。
本发明中，所述舱外在轨增材制造装置制备的杆梁结构单元，包括圆柱形管体，圆台形管体，棱柱形管体，棱台形管体，斜棱柱形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
本发明中，其中的一个技术方案是一种连续式杆梁结构单元的制备方法，其工作程序包括如下步骤：
1)熔融挤出头在X轴和Z轴方向做直线运动，非平面热床系统以自身轴线为轴心配合进行旋转运动，送丝系统通过电机带动齿轮将丝材从储料系统中捻出；熔融挤出头、非平面热床系统和送丝系统的叠加运动，将丝材熔融层积在非平面热床系统，达到设计管体厚度，实现特定截面形貌的第一部分基础管体的制备。
2)已制备完工的第一部分基础管体，通过取样传递机构从非平面热床系统分离，直线后退，当第一部分基础管体头部从非平面热床系统的首端运动至尾端时停止。
3)熔融层积增材制造机构的熔融挤出头运动至非平面热床系统尾端，以第一部分基础管体头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分基础管体上实现第二部分基础管体(15)的连续增材制造。
4)重复步骤1至步骤3的动作，在第二部分基础管体上实现第三部分基础管体(15)的无缝延伸增材制造。
5)重复上述基础管体的熔融延伸增材制造过程，直至制备设计长度的杆件，即得本发明所述的连续式杆梁结构单元产品。
有益效果在于：
以空间桁架为代表的杆梁结构，其结构尺寸受火箭运载空间和发射过程严苛力学环境的限制约束，难以实现地面的大尺寸制备，压缩，空间大面积展开。因此，本发明基于熔融沉积技术的连续式杆梁结构舱外在轨增材制造装置，是一种解决上述问题的有效途径，有两大作用：
(1)可实现不同长度、不同截面形状、不同截面尺寸杆梁结构单元的制备，尤其是超长异形杆件的制备。
(2)基于非平面热床系统制备的杆梁结构单元，可实现温度的精确控制，有利于热量传递，残余应力消除；解决管体结构的翘曲、弯曲、开裂等问题。
附图说明
图1为本发明一种连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置中熔融层积增材制造机构的正视图；
图2为本发明一种连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置的功能分区示意俯视图；
图3为图2所示取样传递机构的正视图；
图4为图3所示机械手爪的轴测示意图；
图5为图2所示储料送丝机构的正视图；
图6为聚醚醚酮(PEEK)材质的连续式杆梁结构；
图7为连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置原理样机实物图；
图8所示为本发明管形热床的系统结构剖视图；
图9所示为本发明管形热床的等轴测示意图。
附图各部件标记如下：
熔融挤出头(11)，非平面热床系统(12)，垂直传动系统(13)，平面传动系统I(14)，基础管体(15)；
熔融层积增材制造机构(10)，取样传递机构(20)，储料送丝机构(30)，机架(40)；
平面传动系统II(21)，机械手爪I(22)，机械手爪II(23)，机身(221)，夹持手指I(222)，夹持手指II(223)；
送丝系统(31)，储料系统(32)，转轴(321)，深沟球轴承(322)，连接法兰I(323)，连接法兰II(324)，外壳(325)，外壳盖(326)，底板(327)，储丝盘(328)；机架底板(41)，机架顶板(42)，机架背板(43)；
非平面基板(121)，加热单元(122)，支撑单元(123)，旋转驱动单元(124)，圆柱形管体样件(125)
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所示为本发明一种连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置中熔融层积增材制造机构的正视图；本发明所述熔融挤出头11安装于平面传动系统I14中，随平面传动系统I14的动作沿X轴方向左右移动，平面传动系统I14安装于垂直传动系统13中，熔融挤出头11随垂直传动系统13的动作沿Z轴方向上下移动；非平面热床系统12沿热床轴线方向旋转运动。
本发明实施例中的非平面热床系统12，如附图8所示，是一用于增材制造的非平面热床中的一种实施例，圆柱形热床的系统结构剖视图；如附图9所示为圆柱形热床的等轴测示意图；本实例所述圆柱形热床包括非平面基板121、加热单元122、支撑单元123和旋转驱动单元124；非平面基板121为圆柱形管体，形貌表现为外侧圆柱形，内侧中空；加热系统122安装于非平面基板121的内部，支撑单元123定位非平面基板121位置，非平面基板121同旋转驱动单元124连接，配合打印头旋转运动，通过加热单元122实现温度有效控制，完成圆柱形管体样件125的增材制造。
如附图6所示为基于圆台形热床制备的的连续式杆梁结构样件实物图，样件原材料为聚醚醚酮(PEEK)丝材；非平面热床配合增材制造装备中的储料单元、送丝单元、多轴运动单元、熔融挤出头、温控单元等机构，实现不同长度的圆柱形管体样件的制备；非平面热床的轴对称结构结合有效的温控策略，在样件的制备过程中形成均匀稳定温度场，相较传统增材制备的平面热床方式，极大减少管形样件沿轴线方向的变形，提高制造精度。
如附图2所示为本发明一种连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置的功能分区示意俯视图；本发明所述一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置包括熔融层积增材制造机构10、取样传递机构20、储料送丝机构30和机架40，用于舱外杆梁结构单元的在轨增材制备；所述熔融层积增材制造机构10和储料送丝机构30根据非平面热床路径规划软件计算的运动轨迹动作，制备基础管体15；所述取样传递机构20将基础管体15从非平面热床系统12中从取出，通过熔融延伸工艺，配合熔融层积增材制造机构10和储料送丝机构30，实现舱外杆梁结构单元的制备。
如附图3所示为图2所示取样传递机构的正视图；图4所示为图3所示机械手爪的轴测示意图；本发明所述机械手爪I22和机械手爪II23安装于平面传动系统II21，机械手爪II23的手指内嵌入固体润滑剂；基础管体15制备完成后，机械手爪I22张开夹持手指I222和夹持手指II223，随平面传动系统II21沿X轴直线运动，到达非平面热床系统12后闭合手指，对准基础管体15并夹持固定；平面传动系统II21带动机械手爪I22沿X轴反方向运动，热床与管体分离，当基础管体15头部从非平面热床系统12的首端运动至尾端时停止；随后基础管体15从机械手爪I22传递至机械手爪II23，等待第二段管体从上一段基础管体15的头部延伸增材制造。
如附图5所示为图2所示储料送丝机构的正视图；所述储料系统32通过螺钉连接在机架背板43上，从机架外侧松紧螺钉即可完成装卸，储料系统32包括储丝盘、旋转随动单元、外壳和外壳盖，更换储丝盘时需松开外壳盖上的螺钉；所述送丝系统31连接在机架顶板42上，送丝系统31提供驱动力，将丝材从储料系统32中捻出，送入熔融挤出头11。
本实例所述一种连续式杆梁结构单元的制备方法，其工作流程包含如下步骤：
1)熔融挤出头11随垂直传动系统13和平面传动系统I14回工作原点；送丝系统31将丝材从储料系统32中捻出，进入熔融挤出头11，熔融挤出头11沿X轴运动并热熔出丝，非平面热床12以自身轴线为轴心配合进行旋转运动，一定时间后完成第一层打印，熔融挤出头12升高一定高度进行第二层打印，如此往复，达到设计管体厚度，实现特定截面形貌的第一部分基础管体15的制备。
2)已制备完工的第一部分基础管体15，通过取样传递机构20从非平面热床系统12分离，直线后退，在第一部分基础管体15头部从非平面热床系统12的首端运动至尾端时停止。
3)熔融层积增材制造机构10的熔融挤出头11运动至非平面热床系统12尾端，以第一部分基础管体15头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分基础管体15上实现第二部分基础管体15的熔融延伸增材制造。
4)重复步骤1至步骤3的动作，直至制备设计长度的杆件，即得本发明所述的连续式杆梁结构单元产品。图7所示为连续式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置原理样机实物图。
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 (10)

1.一种熔融层积增材制造机构，其特征在于：包括熔融挤出头(11)，非平面热床系统(12)，垂直传动系统(13)和平面传动系统I(14)；
所述熔融挤出头(11)固定于平面传动系统I(14)，平面传动系统I(14)连接在垂直传动系统(13)上，垂直传动系统(13)竖直安装于机架底板(41)，顶端与机架顶板(42)连接；垂直传动系统(13)带动熔融挤出头(11)沿Z轴方向上下运动，平面传动系统I(14)带动熔融挤出头(11)沿X轴方向左右运动；
所述非平面热床系统(12)水平安装于机架底板(41)，非平面热床系统(12)沿基础管体(15)轴线方向旋转运动。
2.一种连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：包括如权利要求1所述的熔融层积增材制造机构(10)、取样传递机构(20)、储料送丝机构(30)和机架(40)，用于杆梁结构的增材制造，通过熔融延伸的增材材制造方式，制备出杆梁结构单元。
3.根据权利要求2所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述熔融层积增材制造机构(10)、取样传递机构(20)和储料送丝机构(30)安装于机架(40)上。
4.根据权利要求2所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述取样传递机构(20)包括平面传动系统II(21)，机械手爪I(22)和机械手爪II(23)，其中机械手爪I(22)和机械手爪II(23)结构一致，包括机身(221)，夹持手指I(222)和夹持手指II(223)。
5.根据权利要求4所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述机械手爪I(22)和机械手爪II(23)随平面传动系统II(21)的动作沿X轴方向左右移动，当与非平面热床长度相当的基础管体(15)制备完成后，两组机械手爪配合将基础管体(15)从热床首端移动至尾端，继续熔融延伸制造，重复直至成为设计长度的杆梁结构单元，两组机械手爪配合最终将杆梁结构单元从热床取出。
6.根据权利要求5所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述机械手爪I(22)和机械手爪II(23)取样方式包括推送夹持取样、拉伸夹持取样和旋转夹持取样中的一种或几种。
7.根据权利要求2所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述储料送丝机构(30)包括送丝系统(31)和储料系统(32)，其中送丝系统(31)水平固定于机架顶板(42)，储料系统(32)垂直固定于机架背板(43)，送丝系统(31)和储料系统(32)通过软管连接。
8.根据权利要求2所述连续式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述舱外在轨增材制造装置制备的杆梁结构单元，包括圆柱形管体，圆台形管体，棱柱形管体，棱台形管体，斜棱柱形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。
9.一种连续式杆梁结构单元的制备方法，其特征在于，其工作程序包括如下步骤：
1)熔融挤出头(11)在X轴和Z轴方向做直线运动，非平面热床系统(12)以自身轴线为轴心配合进行的旋转运动，送丝系统(31)通过电机带动齿轮将丝材从储料系统(32)中捻出；熔融挤出头(11)、非平面热床系统(12)和送丝系统(31)的叠加运动，将丝材熔融层积在非平面热床系统(12)，达到设计管体厚度，实现特定截面形貌的第一部分基础管体(15)的制备；
2)根据步骤1制备得到的第一部分基础管体(15)，通过取样传递机构(20)从非平面热床系统(12)分离，直线后退，直至第一部分基础管体(15)头部从非平面热床系统(12)的首端运动至尾端时停止；
3)熔融层积增材制造机构(10)的熔融挤出头(11)运动至非平面热床系统(12)尾端，以第一部分基础管体(15)头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分基础管体(15)上实现第二部分基础管体(15)的熔融延伸增材制造；
4)重复步骤1至步骤3的动作，在第二部分基础管体(15)上实现第三部分基础管体(15)的熔融延伸增材制造；
5)重复上述基础管体(15)的熔融延伸增材制造过程，直至制备设计长度的杆件，即得连续式杆梁结构单元产品。
10.运用如权利要求9所述的方法所得到的连续式杆梁结构单元。
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