CN110920069B - 一种拼接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

Abstract

本发明涉及一种拼接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、熔融拼接机构、取样传递机构和机架。其中，融熔拼接机构的头部包括热熔基座、加热器、阳极热熔头和阴极热熔头；加热器固定在热熔基座中，阳极热熔头和阴极热熔头同轴安装在热熔基座的左右两侧；两段基础管体拼接时，其中一段尾部内径与阳极热熔头接触，一段头部外径与阴极热熔头接触。本装置用于舱外在轨增材制造，特别适用于杆梁结构管体的增材制造，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。通过拼接延伸的增材制造方式，实现设计长度的杆梁结构单元制备，同时利用拼接壁厚的重叠，有效增大增强杆梁结构单元的强度。

Description

一种拼接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，具体涉及一种拼接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ESA(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，并成为未来深空探测与空间利用的重要技术保障。

因此，以大型桁架为目标，杆梁结构单元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，本发明提出了一种拼接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融熔拼接系统，包括热熔基座，加热器，阳极热熔头和阴极热熔头。

进一步，所述加热器固定在热熔基座中，阳极热熔头和阴极热熔头同轴安装在热熔基座的左右两侧；两段基础管体拼接时，其中一段尾部内径与阳极热熔头接触，一段头部外径与阴极热熔头接触。

进一步，所述熔融拼接方式包括接触式熔融拼接和非接触式熔融拼接，含电热阻熔融拼接、电弧熔融拼接、摩擦熔融拼接、红外熔融拼接、电磁感应熔融拼接和超声波熔融拼接等的一种或几种。

本发明中，其中的一个技术方案是一种拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，包括增材制造机构，熔融拼接机构，取样传递机构和机架，用于舱外杆梁结构单元的在轨增材制备。

进一步，所述增材制造机构制备杆梁结构单元中的基础管体。

进一步，所述熔融拼接机构将增材制造机构制备的基础管体熔融拼接，得到拼接式杆梁结构单元。

进一步，所述取样传递机构支撑并传递熔融拼接机构中制备完成的拼接式杆梁结构单元。

本发明中，其中的一个技术方案是一种增材制造机构，包括储料系统，送丝系统，熔融挤出头，非平面热床系统，垂直传动系统，水平传动系统I和水平传动系统II。

进一步，所述增材制造机构中的储料系统和送丝系统垂直安装于机架，熔融挤出头固定于水平传动系统I，储料系统、送丝系统和熔融挤出头间通过软管连接。

进一步，所述增材制造机构中的垂直传动系统垂直安装于机架，水平传动系统I连接在垂直传动系统上，垂直传动系统带动熔融挤出头沿Z轴方向上下运动，水平传动系统I带动熔融挤出头沿X轴方向左右运动。

进一步，所述增材制造机构中的水平传动系统II水平安装于机架，非平面热床系统连接在水平传动系统II上，非平面热床系统通过轴承与旋转传动系统连接，水平传动系统II带动非平面热床系统沿X轴方向左右运动。

本发明中，所述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，所述取样传递系统包括平面传动系统I，机械手爪I，平面传动系统II和机械手爪II，两组机械手爪随两组平面传动系统的在平面X轴和Y轴移动，将基础管体从非平面热床取下，并配合融熔拼接系统，熔融黏结基础管体成为拼接样件；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拼接式杆梁结构单元的制备方法，其工作流程包含如下步骤：

1)熔融挤出头在X轴和Z轴做直线运动，非平面热床系统以自身轴线为轴心配合进行旋转运动；熔融挤出头和非平面热床系统的叠加运动，使丝材在非平面热床系统上成型，达到设计管体厚度，制备得到第一个基础管体。

2)根据步骤1)制备得到的第一个基础管体，通过取样传递机构从非平面热床系统分离，运行并停止于拼接工位备用。

3)重复步骤1)制备得到第二个基础管体，从取样传递机构传递至拼接工位，第二个基础管体尾部与等待在拼接工位的第一个基础管体头部轴线对中，同时进入熔融拼接机构；取样传递机构平面多自由度运动，配合熔融拼接机构快速融粘结，实现两段基础管体的首尾熔融拼接。

4)重复步骤3的操作，实现第三部分基础管体的制备，以及第二和第三部分基础管体的首尾熔融拼接。

5)重复上述基础管体的增材制造与熔融拼接过程，直至制备设计长度的杆件，即得本发明所述的拼接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拼接式杆梁结构单元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。

(3)拼接延伸的增材制造方式，在实现设计长度的杆梁结构单元制备的同时，有效利用拼接壁厚的重叠，增大增强杆梁结构单元的强度

附图说明

图1为本发明一种拼接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2为图1所示熔融层积增材制造机构的正视图；

图3为图1所示熔融拼接机构中熔融头部的剖视图；

图4为图1所示取样传递机构的轴测示意图；

图5所示为本发明非平面圆台形热床系统的剖视图；

图6为杆梁结构单元熔融拼接原理示意剖视图；

图7为拼接式杆梁结构单元实物图；

图8为接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置实物图。

附图各部件标记如下：

熔融层积增材制造机构(10)，熔融拼接机构(20)，取样传递机构(30)；

储料系统(11)，送丝系统(12)，熔融挤出头(13)，非平面热床系统(14)，基础管体(15)，垂直传动系统(16)，水平传动系统I(17)，水平传动系统II(18)；

热熔基座(21)，加热管(22)，阳极热熔头(23)，阴极热熔头(24)；

平面传动系统I(31)，机械手爪I(32)，平面传动系统II(33)，机械手爪II(34)，拼接样件(35)；

管体基板(14-1)，辅热系统(14-2)，支撑系统(14-3)，旋转驱动系统(14-4)，管体样件(14-5)，圆柱形管体样件(14-6)，圆台形管体样件(14-7)、棱柱形管体样件 (14-8)。

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做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所示为本发明一种拼接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；本发明所述一种拼接式杆梁结构单元舱外在轨增材制造装置包括增材制造机构10，熔融拼接机构20，取样传递机构30和机架40，用于舱外杆梁结构单元的在轨增材制备。所述增材制造机构10根据非平面热床路径规划软件规划的运动轨迹动作，制备基础管体15；所述熔融拼接机构20和取样传递机构30对应第二工位，将基础管体15从非平面热床系统 14中从取出，在阳极热熔头23和阴极热熔头24作用下熔融拼接，制备设计长度的拼接式杆梁结构单元。

如附图2所示为图1所示熔融层积增材制造机构的正视图；本发明中所述熔融挤出头13 安装于水平传动系统I17中，随水平传动系统I17的动作沿X轴方向左右移动，水平传动系统I17安装于垂直传动系统16中，熔融挤出头13随垂直传动系统16的动作沿Z轴方向上下移动；非平面热床系统14安装于水平传动系统II18中，随水平传动系统II18的动作沿X轴方向左右移动。

如附图3所示为图1所示熔融拼接机构中熔融头部的剖视图；本发明所述融熔拼接机构 20的加热器22固定在热熔基座21中，阳极热熔头23和阴极热熔头24同轴安装在热熔基座21的左右两侧；两件基础管体15，其中一件尾部内径与阳极热熔头23接触，一件头部外径与阴极热熔头24接触。

如附图4所示为图1所示取样传递机构的轴测示意图；本发明所述机械手爪I32安装于平面传动系统I31，机械手爪II34安装于平面传动系统II33；基础管体15制备完成后，机械手爪I32张开机械手指随平面传动系统I31沿Y轴直线运动，到达非平面热床系统14后闭合机械手指，对准基础管体15并夹持固定；水平传动系统II18带动非平面热床系统14沿X轴直线运动，非平面热床与管体分离；随后机械手爪I32夹持基础管体15沿Y轴反方向运动，机械手爪II34随平面传动系统II33沿XY轴运动，机械手爪I32与机械手爪II34对中，基础管体15传递至机械手爪II34夹持。

如附图5所示为本发明实施例中的非平面热床14的一种实施例，非平面圆台形热床系统的剖视图；本实例所述非平面圆台形热床包括管体基板14-1、辅热系统14-2、支撑系统 14-3和旋转驱动系统14-4；管体基板14-1为圆台形管体，形貌表现为外侧圆台形，内侧中空；辅热系统14-2安装于管体基板14-1的内部，支撑系统14-3定位管体基板14-1位置，管体基板14-1同旋转驱动系统14-4连接，配合打印头旋转运动，通过辅热系统14-2实现温度控制，完成圆台形管体样件14-5的增材制造。

如附图6为杆梁结构单元熔融拼接原理示意剖视图，图7为拼接式杆梁结构单元实物图，样件原材料为聚乳酸(PLA)丝材；非平面圆台热床配合增材制造装备中的储料系统、送丝系统、多轴运动系统、熔融挤出头等，实现不同长度的圆台形管体样件的制备；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，相较传统增材制备方式，极大减少管形样件沿轴线方向的变形，提高制造精度；同时，基于熔融拼接原理延伸制备的杆梁结构单元，依托拼接处壁厚的重叠，有效提升杆梁结构单元的强度。

本实例所述一种拼接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13在X轴和Z轴做直线运动，非平面热床系统14以自身轴线为轴心配合进行旋转运动；熔融挤出头13和非平面热床系统14的叠加运动，使丝材在非平面热床系统14上成型，达到设计管体厚度，制备得到第一个基础管体15；

2)根据步骤1)制备得到的第一个基础管体15，通过取样传递机构30从非平面热床系统14分离，运行并停止于拼接工位备用；

3)重复步骤1)制备得到第二个基础管体15，从取样传递机构30传递至拼接工位，第二个基础管体15尾部与等待在拼接工位的第一个基础管体15头部轴线对中，同时进入熔融拼接机构20；取样传递机构30平面多自由度运动，配合熔融拼接机构20快速融粘结，实现两段基础管体15的首尾熔融拼接；

4)重复步骤3的操作，实现第三部分基础管体15的制备，以及第二和第三部分基础管体15的首尾熔融拼接；

5)重复上述基础管体15的增材制造与熔融拼接过程，直至制备设计长度的杆件，即得本发明所述的拼接式杆梁结构单元产品。如附图8所示为接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置实物图。

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 (12)

1.一种融熔拼接系统，其特征在于，融熔拼接机构（20）的头部包括热熔基座（21），加热器（22），阳极热熔头（23）和阴极热熔头（24）；

所述加热器（22）固定在热熔基座（21）中，阳极热熔头（23）和阴极热熔头（24）同轴安装在热熔基座（21）的左右两侧；两段基础管体（15）拼接时，其中一段尾部内径与阳极热熔头（23）接触，一段头部外径与阴极热熔头（24）接触。

2.一种拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述装置包括增材制造机构（10），如权利要求1所述的融熔拼接系统，取样传递机构（30）和机架（40），用于舱外杆梁结构单元的在轨增材制备；

所述增材制造机构（10），用于制备杆梁结构单元中的基础管体（15）；

所述融熔拼接机构（20），用于将增材制造机构（10）制备的基础管体（15）熔融拼接，得到拼接式杆梁结构单元；

所述取样传递机构（30）支撑并传递融熔拼接机构（20）中制备完成的拼接式杆梁结构单元。

3.根据权利要求2所述拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述增材制造机构（10）包括储料系统（11），送丝系统（12），熔融挤出头（13），非平面热床系统（14），垂直传动系统（16），水平传动系统I（17）和水平传动系统II（18）。

4.根据权利要求3所述拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述储料系统（11）和送丝系统（12）垂直安装于机架（40），熔融挤出头（13）固定于水平传动系统I（17），储料系统（11）、送丝系统（12）和熔融挤出头（13）间通过软管连接。

5.根据权利要求3所述拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述垂直传动系统（16）垂直安装于机架（40），水平传动系统I（17）连接在垂直传动系统（16）上，垂直传动系统（16）带动熔融挤出头（13）沿Z轴方向上下运动，水平传动系统I（17）带动熔融挤出头（13）沿X轴方向左右运动。

6.根据权利要求3所述拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述水平传动系统II（18）水平安装于机架（40），非平面热床系统（14）连接在水平传动系统II（18）上，非平面热床系统（14）通过轴承与旋转传动系统连接，水平传动系统II（18）带动非平面热床系统（14）沿X轴方向左右运动。

7.根据权利要求2所述拼接式杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：取样传递机构（30）包括平面传动系统I（31），机械手爪I（32），平面传动系统II（33）和机械手爪II（34），两组机械手爪随两组平面传动系统在平面X轴和Y轴移动，将基础管体（15）从热床取下，并配合融熔拼接机构（20）熔融黏结基础管体（15）成为拼接样件（35）。

8.根据权利要求2所述拼接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。

9.一种拼接式杆梁结构单元的制备方法，其特征在于工作流程包含如下步骤：

1）熔融挤出头（13）在X轴和Z轴做直线运动，非平面热床系统（14）以自身轴线为轴心配合进行旋转运动；熔融挤出头（13）和非平面热床系统（14）的叠加运动，使丝材在非平面热床系统（14）上成型，达到设计管体厚度，制备得到第一个基础管体（15）；

2）根据步骤1）制备得到的第一个基础管体（15），通过取样传递机构（30）从非平面热床系统（14）分离，运行并停止于拼接工位备用；

3）重复步骤1）制备得到第二个基础管体（15），从取样传递机构（30）传递至拼接工位，第二个基础管体（15）尾部与等待在拼接工位的第一个基础管体（15）头部轴线对中，同时进入如权利要求1所述的融熔拼接系统中的融熔拼接机构（20）；取样传递机构（30）平面多自由度运动，配合融熔拼接机构（20）快速融粘结，实现两段基础管体（15）的首尾熔融拼接；

4）重复步骤3的操作，实现第三部分基础管体（15）的制备，以及第二和第三部分基础管体（15）的首尾熔融拼接；

5）重复上述基础管体（15）的增材制造与熔融拼接过程，直至制备设计长度的杆件，得到拼接式杆梁结构单元产品。

10.根据权利要求9所述的拼接式杆梁结构单元的制备方法，其特征在于，所述融熔拼接机构（20）的熔融拼接方式包括含电热阻熔融拼接、电弧熔融拼接、摩擦熔融拼接、红外熔融拼接、电磁感应熔融拼接和超声波熔融拼接中的一种或几种。

11.根据权利要求9所述的拼接式杆梁结构单元的制备方法，其特征在于，所述取样传递机构（30）的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。

12.运用如权利要求9或10或11所述的方法所得到的拼接式杆梁结构单元产品。

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