CN111497223A - 一种固体火箭发动机内绝热层3d打印系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固体火箭发动机材料制造领域，具体涉及一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统及方法。其包括打印头、光固化装置、供料装置、位移放大机构和控制系统，所述打印头、光固化装置、供料装置设置于位移放大机构上，所述控制系统与位移放大机构连接，控制位移放大机构的移动，所述打印头包括压电驱动装置、撞针、气压控制装置和温度控制装置，所述供料装置包括空压机、气压阀、储料筒。本发明可提升生产效率、工艺稳定性及关键尺寸控制精确度，解决传统火箭发动机内绝热层成型方法的问题。实现自动化及智能化制造，大幅提高生产效率、提升质量稳定性与一致性、降低缺陷率，适应火箭发动机的高可靠、易保障要求。

Description

一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统及方法
技术领域
本发明涉及固体火箭发动机材料制造领域，具体涉及一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统及方法。
背景技术
固体火箭发动机内绝热层是位于燃烧室壳体内表面与药柱之间的热防护材料，主要作用是通过自身的不断分解、碳化及烧蚀带走大量热量，对燃气的高温起到抗烧蚀和绝热作用，避免壳体达到危及其结构完整性的温度，保证发动机正常工作。固体火箭发动机内绝热层在采用传统手工铺贴工艺制造和加工过程中，容易出现界面脱粘、缺胶、龟裂、杂质、砂眼、气眼、模型伤痕、分模面凹坑等各种形式的缺陷。在固体火箭发动机高压强、高燃温、大过载等极端工作环境下，燃烧室内绝热层对于质量稳定性及缺陷更加敏感，会导致火箭发动机性能和可靠性下降，甚至会引起发动机失效等灾难性后果。
国内型号固体火箭发动机的内绝热层主要采用三元乙丙橡胶（EPDM）、丁腈橡胶、硅橡胶及其复合材料，主要采用手工铺贴成型方法、厚浆浇注法或涂抹法成型工艺，近年来针对复合材料壳体发展了内绝热层缠绕成型方法。传统手工铺贴方法主要包括以下步骤：一是通过橡胶薄通-混炼-出片等工艺炼制出绝热层橡胶生片，二是依据绝热层设计进行裁片、粘接、铺贴（复合材料壳体在成型芯模表面铺贴，金属壳体在其内表面铺贴），三是硫化成型（复合材料壳体为碳纤维缠绕后共固化，金属壳体为气囊加压工艺固化成型）。目前固体火箭发动机内绝热层的成型方法主要有手工铺贴方法与缠绕成型方法。传统手工铺贴方法，工艺过程较为复杂、工艺周期长、人工操作较多，存在生产效率低、质量稳定性和一致性较差，厚度等关键尺寸精确控制难度大，容易产生界面脱粘、缺胶、搭接缝、气眼缺陷等问题。缠绕成型方法，自动化程度较高，但是由于张力施加较小，也存在搭接缝、气孔、褶皱等缺陷问题，国内目前技术成熟度较低，尚未实现型号应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：
本发明提供一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统及方法，提升生产效率、工艺稳定性及关键尺寸精确度，解决传统火箭发动机内绝热层成型问题，实现自动化及智能化制造，大幅提高生产效率、提升质量稳定性与一致性、降低缺陷率，适应火箭发动机的高可靠、易保障要求。
本发明所采用的技术方案：
一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，包括打印头、光固化装置、供料装置、位移放大机构和控制系统，所述打印头、光固化装置、供料装置设置于位移放大机构上，所述控制系统与位移放大机构连接，控制位移放大机构的移动，所述打印头包括压电驱动装置、撞针、气压控制装置和温度控制装置，所述供料装置包括空压机、气压阀、储料筒。
进一步地，所述打印头采用1个或多个组成阵列。
进一步地，所述位移放大机构为多自由度机械臂。
进一步地，所述光固化装置为紫外光光源。
一种固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，包括如下步骤：
1）通过加热与机械搅拌将液体橡胶基体与功能填料混合均匀，将混合均匀的液体橡胶基体与功能填料输入到供料装置的储料筒中，温度控制装置控制温度在130℃～150℃之间，气压控制装置控制气压在0.1MPa～0.2MPa之间，使供料装置中的液体橡胶填充到喷头腔体与压电驱动装置及撞针之间空隙；
2）将1个打印头或者打印头阵列通过多自由度机械臂移动至成型工装，在控制系统作用下按照模型要求进行微喷打印，同步使用光固化装置进行紫外光固化；
3）按照绝热层模型要求，逐层打印实现固体火箭发动机内绝热层成型，微喷绝热层厚度为百微米级别，打印尺寸精度优于0.01mm。
进一步地，所述光活性液体橡胶基体为液体三元乙丙橡胶（EPDM）、液体丁腈橡胶或液体硅橡胶，分子量在3500～6500之间，粘度在1000～6000mP·s。
进一步地，所述功能填料包括促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂。
进一步地，按照配方比例分批次依次加入促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂，通过机械搅拌、超声分散等方式实现均匀混合。
本发明的有益效果：
1）本发明所使用的3D打印原材料液体橡胶在室温下既有流动性又有形变性能，由于其相对分子量低，在室温条件下流动性好，使其能够实现生产的连续化、自动化、管道化，因此非常适合于3D打印技术。紫外光固化在室温下即可引发聚合反应，与3D打印技术相辅相成。将液体橡胶体系结合紫外光固化技术，可以满足常温、快速固化。
2）按需滴化微喷射自由成形，是基于微滴喷射原理和流体滴化技术的一种方法，是3D打印自由成形的技术基础。实质上就是可控地将连续流体离散成液滴，并传送或转移到基板的过程。喷射的液滴尺寸可精确控制至微米（μm）量级，体积可控制在微升（μl）、纳升（nl）、皮升（pl）量级。按需式滴化微喷驱动可分为气动、音圈驱动、压电驱动等；压电式机械撞针喷头具有较多优点：研究日趋成熟、价格相对较低、信号响应速度快、精确控制等优势。因此，将压电驱动按需滴化微喷技术与液体橡胶技术结合，可以实现3D打印技术的材料、工艺及设备的完美匹配性。
3）与传统手工铺贴、缠绕成型方法比较，本发明提供的固体火箭发动机内绝热层3D打印成型方法可实现智能化、高精度制造特点，具有生产效率高、质量稳定性与一致性优、近净成型、厚度关键尺寸精确可控等优点。
4）本发明提供的固体火箭发动机内绝热层3D打印成型方法可以避免界面脱粘、缺胶、搭接缝等缺陷，适应火箭发动机的高可靠、易保障要求。
5）本发明提供的固体火箭发动机内绝热层3D打印成型方法可以与3D打印推进剂和3D打印连续碳纤维复合材料技术相结合，实现固体火箭发动机燃烧室的一体化3D打印成型，适应火箭发动机整体增材制造发展需求。
附图说明
图1. 3D打印头示意图;
图2. 3D打印头阵列及机械臂示意图;
其中，1.压电驱动装置及撞针；2.气压控制装置；3.温度控制装置；4.供料装置；5.打印头及其阵列；6.光固化装置；7.多自由度机械臂。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
如图1和图2所示，一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，包括打印头、光固化装置、供料装置、位移放大机构和控制系统，所述打印头、光固化装置、供料装置设置于位移放大机构上，所述控制系统与位移放大机构连接，控制位移放大机构的移动，所述打印头包括压电驱动装置、撞针、气压控制装置和温度控制装置，所述供料装置包括空压机、气压阀、储料筒。所述打印头采用1个或多个组成阵列。所述位移放大机构为多自由度机械臂。所述光固化装置为紫外光光源。
一种固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，包括如下步骤：
1）通过加热与机械搅拌将液体橡胶基体与功能填料混合均匀，将混合均匀的液体橡胶基体与功能填料输入到供料装置的储料筒中，温度控制装置控制温度在130℃～150℃之间，气压控制装置控制气压在0.1MPa～0.2MPa之间，使供料装置中的液体橡胶填充到喷头腔体与压电驱动装置及撞针之间空隙，所述光活性液体橡胶基体为液体三元乙丙橡胶（EPDM）、液体丁腈橡胶或液体硅橡胶，分子量在3500～6500之间，粘度在1000～6000mP·s。所述功能填料包括促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂。按照配方比例分批次依次加入促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂，通过机械搅拌、超声分散等方式实现均匀混合。
2）将1个打印头或者打印头阵列通过多自由度机械臂移动至成型工装，在控制系统作用下按照模型要求进行微喷打印，同步使用光固化装置进行紫外光固化；
3）按照绝热层模型要求，逐层打印实现固体火箭发动机内绝热层成型，微喷绝热层厚度为百微米级别，打印尺寸精度优于0.01mm。

Claims (8)

1.一种固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，其特征在于，包括打印头、光固化装置、供料装置、位移放大机构和控制系统，所述打印头、光固化装置、供料装置设置于位移放大机构上，所述控制系统与位移放大机构连接，控制位移放大机构的移动，所述打印头包括压电驱动装置、撞针、气压控制装置和温度控制装置，所述供料装置包括空压机、气压阀、储料筒。
2.根据权利要求1所述固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，其特征在于：所述打印头采用1个或多个组成阵列。
3.根据权利要求1所述固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，其特征在于：所述位移放大机构为多自由度机械臂。
4.根据权利要求1所述固体火箭发动机内绝热层3D打印系统，其特征在于：所述光固化装置为紫外光光源。
5.一种固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）通过加热与机械搅拌将液体橡胶基体与功能填料混合均匀，将混合均匀的液体橡胶基体与功能填料输入到供料装置的储料筒中，温度控制装置控制温度在130℃～150℃之间，气压控制装置控制气压在0.1MPa～0.2MPa之间，使供料装置中的液体橡胶填充到喷头腔体与压电驱动装置及撞针之间空隙；
2）将1个打印头或者打印头阵列通过多自由度机械臂移动至成型工装，在控制系统作用下按照模型要求进行微喷打印，同步使用光固化装置进行紫外光固化；
3）按照绝热层模型要求，逐层打印实现固体火箭发动机内绝热层成型，微喷绝热层厚度为百微米级别，打印尺寸精度优于0.01mm。
6.根据权利要求5所述固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，其特征在于：所述光活性液体橡胶基体为液体三元乙丙橡胶（EPDM）、液体丁腈橡胶或液体硅橡胶，分子量在3500～6500之间，粘度在1000～6000mP·s。
7.根据权利要求5所述固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，其特征在于：所述功能填料包括促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂。
8.根据权利要求7所述固体火箭发动机内绝热层3D打印方法，其特征在于：按照配方比例分批次依次加入促进剂、增强剂、耐烧蚀填料、阻燃剂和硫化剂，通过机械搅拌、超声分散等方式实现均匀混合。
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