CN111452355B - 一种变径螺旋成型超长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

本发明涉及一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法，装置包括熔融层积增材制造机构，取样传递机构和机架底板。其中，熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头、非平面热床、旋转系统、径向传动系统、轴向传动系统I、送丝系统、储丝系统和热床基座；径向传动系统带动熔融挤出头和送丝系统沿非平面热床径向升降运动，旋转系统带动径向传动系统绕非平面热床轴线旋转运动，轴向传动系统I带动旋转系统沿非平面热床轴向水平运动。本装置特别适用于超长杆梁结构的增材制造，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。通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元的制备。

Description

一种变径螺旋成型超长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，具体涉及一种变径螺旋成型超长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

随着太空技术的发展，人类的太空活动不再局限于近地轨道，“深空、长时”成为未来太空探索任务的主要特点，而后勤资源补给及航天器/航天基地在轨维修、拓展等是主要技术难题。受现有火箭运载空间和发射能力的约束，难以继续实现“地面制备，火箭运输，空间应用”的运营模式，主要原因在于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。因此，空间大型设施的原位构建成为各国争夺的战略制高点，其中，大型化、低成本、轻质、高强的空间桁架结构的原位构建是技术发展的必然趋势。因此，采用复合材料熔融沉积增材制造技术(Fused Deposition Modeling，FDM)，辅助在轨装配技术，是解决原位构建空间大型桁架结构瓶颈问题的有效途径之一。

美国国家航空航天局资助下美国太空制造公司研发了首台空间微重力3D打印机并于2014年送入国际空间站，在舱内成功打印ABS套筒扳手等零件，首次验证了空间微重力环境下的FDM制造；对比国际空间站舱内制造的飞行样本与地面样本，在质量、密度、尺寸、精度、机械强度等方面的综合性能测试，结合仿真分析，研究结果表明，工程上空间微重力对FDM成型没有显著影响。美国系绳无限公司在美国国家航空航天局创新先进概念计划资助下，首次开展名为蜘蛛工厂的舱外太空制造系统概念验证，结合在轨增材制造技术与机器人技术，研究基于热塑性聚合物复合材料的千米尺度大型空间桁架结构的单元制造与整体装配技术。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在轨增材制造技术具有重要意义。

现有在轨增材制造技术，受关注点集中于舱内在轨增材制造的影响，往往存在成形环境保障腔的空间约束、机械控制系统的工位局限等问题，很难在有限的增材制造成形空间中，制备出超长的杆梁结构件。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，以大型桁架的原位构建为目标，开展超长杆梁结构的舱外在轨增材制造技术与装置的相关研究尤为重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：以大型桁架超长杆梁结构单元的舱外在轨原位构建为目标，突破杆梁结构单元受火箭的运载空间尺寸和发射过程中严苛力学环境的限制约束，设计并制造可制备超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置。

为解决上述技术问题，本发明提出了一种变径螺旋成型超长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变径螺旋成型超长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，取样传递机构和机架底板，通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造。

作为优选的技术方案，所述熔融层积增材制造机构变径螺旋成型的杆梁结构单元由取样传递机构支撑夹持传递以完成熔融延伸制造，熔融层积增材制造机构和取样传递机构并列安装于机架底板上。

作为优选的技术方案，所述熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头、非平面热床、旋转系统、径向传动系统、轴向传动系统I、送丝系统、储丝系统和热床基座；

所述熔融挤出头和送丝系统沿出丝孔同轴固定，与径向传动系统连接，储丝系统固定于径向传动系统顶部，径向传动系统与旋转系统连接，旋转系统与轴向传动系统I连接，非平面热床同轴穿过旋转系统并连接于热床基座，热床基座和轴向传动系统I固定于机架底板；

所述熔融挤出头随旋转系统绕非平面热床轴线旋转运动，同时随轴向传动系统I沿非平面热床轴向水平运动，单层制造完毕后熔融挤出头随径向传动系统沿非平面热床径向升降运动；送丝系统从储丝系统捻出丝材，进入熔融挤出头加热并挤出；高温丝材沿非平面热床轴向螺旋缠绕沉积并在直径方向逐层增厚，完成变径螺旋式杆梁结构单元的熔融沉积成型制备。

作为优选的技术方案，所述取样传递机构包括轴向传动系统II，机械手爪I，机械手爪II，其中机械手爪I和机械手爪II结构一致，包括机身，夹持手指I和夹持手指II。

作为优选的技术方案，所述机械手爪I和机械手爪II随轴向传动系统II的动作沿非平面热床的轴向直线运动，当与非平面热床长度相当的杆梁结构单元制备完成后，两组机械手爪配合将杆梁结构单元从热床首端移动至尾端，实施熔融延伸制造，重复上述制造过程，直至完成设计长度的杆梁结构单元制备，两组机械手爪配合将已完成制备的杆梁结构单元从热床取出。

作为优选的技术方案，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。

作为优选的技术方案所述机械手爪I和机械手爪II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。

本发明的另一技术方案是一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的制备方法，其工作程序包括如下步骤：

1)送丝系统将丝材从储丝系统捻入熔融挤出头，熔融挤出头挤出高温丝材并绕非平面热床轴心旋转运动，同时沿非平面热床轴向水平运动至单层制造完毕，随后熔融挤出头沿非平面热床径向上升；在上述变径螺旋运动作用下，丝材逐层累积在非平面热床，达到设计杆梁结构单元厚度，实现特定截面形貌的第一部分杆梁结构单元的制备；

2)根据步骤1制备得到的第一部分杆梁结构单元，通过取样传递机构从非平面热床分离，直线后退，直至第一部分杆梁结构单元头部从非平面热床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尾端，以第一部分杆梁结构单元头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分杆梁单元上实现第二部分杆梁结构单元的熔融延伸增材制造；

4)重复步骤1至步骤3的动作，在第二部分杆梁结构单元上实现第三部分杆梁结构单元的熔融延伸增材制造；

5)重复上述杆梁结构单元的熔融延伸增材制造过程，直至完成设计长度的杆件制备，即得变径螺旋成型杆梁结构单元产品。

运用如上技术方案中所述的方法所得到的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造成型件。

有益效果在于：

以大型空间桁架为代表的超长杆梁结构单元，其尺寸和理化性能受火箭的运载空间尺寸受火箭运载空间和发射过程中严苛力学环境的限制约束，难以实现“地面制备，火箭运输，空间应用”的航天运营模式开。因此，本发明基于熔融沉积技术的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的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变径螺旋成型增材制造制备，尤其是超长异形杆梁结构单元的增材制造。

(2)基于非平面热床系统制备的变径螺旋成型超长杆梁结构单元，可实现增材制造过程温度的精确控制，有利于热量传递，残余应力消除；避免杆梁结构的翘曲、弯曲、开裂等问题。

附图说明

图1为本发明一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置的正视图；

图2为图1所示变径螺旋成型杆梁结构单元熔融层积增材制造机构的等轴侧示意图；

图3为图1所示变径螺旋成型杆梁结构单元熔融层积增材制造机构的侧视图；

图4为图2所示非平面热床的剖视图；

图5为图1所示杆梁结构单元取样传递机构的正视图；

图6为图5所示杆梁结构单元机械手爪的等轴侧示意图。

附图各部件标记如下：

熔融层积增材制造机构(10)，取样传递机构(20)，机架底板(30)，杆梁结构单元(40)；

熔融挤出头(11)，非平面热床(12)，旋转系统(13)径向传动系统(14)，轴向传动系统I(15)，送丝系统(16)，储丝系统(17)，热床基座(18)；

管体(121)，加热单元(122)；

轴向传动系统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)。

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所示为本发明一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置的正视图。本发明所述变径螺旋成型超长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和机架底板30，用于超长杆梁结构单元40的增材制造。熔融层积增材制造机构10和取样传递机构20并列安装于机架底板30上，熔融层积增材制造机构10变径螺旋成型杆梁结构单元40，取样传递机构20将已成型部分从热床取下，同时传递支撑超出热床长度部分，通过熔融延伸工艺，配合熔融层积增材制造机构10，实现超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造。

如附图2为图1所示变径螺旋成型杆梁结构单元熔融层积增材制造机构的等轴侧示意图,图3为图1所示径螺旋成型杆梁结构单元熔融层积增材制造机构的侧视图；所述熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头11、非平面热床12、旋转系统13、径向传动系统14、轴向传动系统I15、送丝系统16、储丝系统17和热床基座18。

所述熔融挤出头11和送丝系统16沿出丝孔同轴固定，与径向传动系统14连接，储丝系统17固定于径向传动系统14顶部，径向传动系统14与旋转系统13连接，旋转系统13与轴向传动系统I15连接，非平面热床12同轴穿过旋转系统13并固定于热床基座18，热床基座18和轴向传动系统I15固定于机架底板30。

所述径向传动系统14带动熔融挤出头11和送丝系统16沿非平面热床12径向升降运动；旋转系统13带动径向传动系统14以非平面热床12轴线为轴心旋转运动，与径向传动系统14连接的熔融挤出头11、送丝系统16和储丝系统17同样绕非平面热床12轴线做旋转运动；轴向传动系统I15带动旋转系统13沿非平面热床12轴向水平运动，与旋转系统13连接的径向传动系统14，以及与径向传动系统14连接的熔融挤出头11、送丝系统16和储丝系统17同样沿非平面热床12轴向做水平运动；丝材通过送丝系统16从储丝系统17捻出并进入熔融挤出头11加热。熔融挤出头11挤出的高温丝材沿非平面热床12轴向螺旋缠绕沉积，并在直径方向逐层增厚，以变径螺旋方式实现杆梁结构单元的舱外在轨增材制造。

本发明实施例中的非平面热床12，附图4所示，是用于增材制造的非平面热床中的一种实施例，圆柱管形热床的系统结构剖视图。本实例所述圆柱管形热床包括管体121和加热单元122；管体121为外侧圆柱形的中空管状结构；加热单元122安装于管体121的内部，管体121通过热床基座18与机架底板30连接；成型过程中非平面热床12保持静止，通过熔融挤出头11沿非平面热床12的轴向旋转、径向升降与轴向水平运动，配合加热单元122的温控措施，完成圆柱形杆梁单元的增材制造。非平面热床12的轴对称结构结合有效的温控策略，在增材制造的制备过程中形成均匀稳定温度场，相较传统增材制造设备的平面热床方式，可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5为图1所示取样传递机构的正视图；图6为图5所示机械手爪的等轴侧示意图；本发明所述机械手爪I22和机械手爪II23安装于轴向传动系统II(21)，机械手爪II23的手指内嵌入固体润滑剂；杆梁结构单元40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沿非平面热床12轴向水平直线运动，到达非平面热床系统12后闭合手指，对准杆梁结构单元40并夹持固定；轴向传动系统II(21)带动机械手爪I22沿非平面热床12轴向反方向运动，热床与管体分离，当杆梁结构单元40头部从非平面热床系统12的首端运动至尾端时停止；随后杆梁结构单元40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杆梁结构单元40的头部延伸增材制造。

本实例所述一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的制备方法，其工作流程包含如下步骤：

1)送丝系统16将丝材从储丝系统17中捻入熔融挤出头11，熔融挤出头11挤出高温丝材并绕非平面热床12轴心旋转运动，同时沿非平面热床12轴向水平运动至单层制造完毕，随后熔融挤出头11沿非平面热床12径向上升；在上述变径螺旋运动作用下，丝材逐层累积在非平面热床12，达到设计杆梁结构单元厚度，实现特定截面形貌的第一部分杆梁结构单元40的制备；

2)根据步骤1制备得到的第一部分杆梁结构单元40，通过取样传递机构20从非平面热床12分离，直线后退，直至第一部分杆梁结构单元40头部从非平面热床12的首端运动至尾端停止；

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12尾端，以第一部分杆梁结构单元40头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分杆梁结构单元40上实现第二部分杆梁结构单元40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，即得本发明所述的变径螺旋成型超长杆梁结构单元产品。

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 (8)

1.一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：包括熔融层积增材制造机构（10），取样传递机构（20）和机架底板（30），通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元（40）的舱外在轨增材制造；

所述熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头（11）、非平面热床（12）、旋转系统（13）、径向传动系统（14）、轴向传动系统I（15）、送丝系统（16）、储丝系统（17）和热床基座（18）；

所述熔融挤出头（11）和送丝系统（16）沿出丝孔同轴固定，与径向传动系统（14）连接，储丝系统（17）固定于径向传动系统（14）顶部，径向传动系统（14）与旋转系统（13）连接，旋转系统（13）与轴向传动系统I（15）连接，非平面热床（12）同轴穿过旋转系统（13）并连接于热床基座（18），热床基座（18）和轴向传动系统I（15）固定于机架底板（30）；

所述熔融挤出头（11）随旋转系统（13）绕非平面热床（12）轴线旋转运动，同时随轴向传动系统I（15）沿非平面热床（12）轴向水平运动，单层制造完毕后熔融挤出头（11）随径向传动系统（14）沿非平面热床（12）径向升降运动；送丝系统（16）从储丝系统（17）捻出丝材，进入熔融挤出头（11）加热并挤出；高温丝材沿非平面热床（12）轴向螺旋缠绕沉积并在直径方向逐层增厚，完成变径螺旋式杆梁结构单元的熔融沉积成型制备。

2.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长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）变径螺旋成型的杆梁结构单元（40），由取样传递机构（20）支撑夹持传递以完成熔融延伸制造；熔融层积增材制造机构（10）和取样传递机构（20）并列安装于机架底板（30）上。

3.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长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）包括轴向传动系统II（21），机械手爪I（22），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）。

4.根据权利要求3所述变径螺旋成型超长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）随轴向传动系统II（21）的动作沿非平面热床（12）的轴向直线运动，当与非平面热床长度相当的杆梁结构单元（40）制备完成后，两组机械手爪配合将杆梁结构单元（40）从热床首端移动至尾端，实施熔融延伸制造，重复上述制造过程，直至完成设计长度杆梁结构单元的制备，两组机械手爪配合将已完成制备的杆梁结构单元从热床取出。

5.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长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。

6.根据权利要求3所述变径螺旋成型超长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。

7.一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的制备方法，其特征在于，基于如权利要求1-6任一项所述的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其工作程序包括如下步骤：

1）送丝系统（16）将丝材从储丝系统（17）捻入熔融挤出头（11），熔融挤出头（11）挤出高温丝材并绕非平面热床（12）轴心旋转运动，同时沿非平面热床（12）轴向水平运动至单层制造完毕，随后熔融挤出头（11）沿非平面热床（12）径向上升；在上述变径螺旋运动作用下，丝材逐层累积在非平面热床（12），达到设计杆梁结构单元厚度，实现特定截面形貌的第一部分杆梁结构单元（40）的制备；

2）根据步骤1制备得到的第一部分杆梁结构单元（40），通过取样传递机构（20）从非平面热床（12）分离，直线后退，直至第一部分杆梁结构单元（40）头部从非平面热床（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（12）尾端，以第一部分杆梁结构单元（40）头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分杆梁结构单元（40）上实现第二部分杆梁结构单元（40）的熔融延伸增材制造；

4）重复步骤1至步骤3的动作，在第二部分杆梁结构单元（40）上实现第三部分杆梁结构单元（40）的熔融延伸增材制造；

5）重复上述杆梁结构单元（40）的熔融延伸增材制造过程，直至完成设计长度的杆件制备，即得变径螺旋成型杆梁结构单元产品。

8.运用如权利要求7所述的方法所得到的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造成型件。

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