CN111761063A

CN111761063A - 一种适用于微重力空间环境的3d打印系统及方法

Info

Publication number: CN111761063A
Application number: CN202010696514.0A
Authority: CN
Inventors: 李宁; 朱海红; 张宝鹏; 伍仕兴; 王怡龙; 廖海龙
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2020-07-20
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开了一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，包括外壳(1)及控制单元(2)；设于外壳(1)内部的工作台(12)及设于该工作台(12)上的基板(11)，送料单元，其包括储料装置(4)、设于该储料装置(4)一端的送料机构(6)，以及设于所述储料装置(4)另一端的顶出机构(3)，加工头部件，其包括小型激光器(7)。本发明还公开了适用于微重力空间环境的3D打印方法。本发明的系统，避免了非晶合金在长时间高温条件下热塑性连接成形的晶化风险，能够做到同轴送料，成形效率高，且保证出料均匀连续，可成形任意形状零件，能够得到成形质量高的大尺寸非晶合金零件，能够保持良好的设备工作稳定性，特别适合空间环境中在轨制造。

Description

一种适用于微重力空间环境的3D打印系统及方法

技术领域

本发明属于金属3D打印机制造技术领域，更具体地，涉及一种适用于微重力空间环境的3D打印系统及方法。

背景技术

随着航天技术的高速发展，探索深空、建设外星基地、外星移民等研究计划将逐渐提上日程。但要实现长期在轨居留的物资和生命保障、空间应用设施建造、外星基地建设和运行，很大程度依赖于如何实现高效、可靠、低成本的“空间制造”，从而克服现有火箭运载方式在载重、体积、成本上对太空探索活动的限制。空间制造可直接利用太阳能、原材料等空间资源，实现自我维持。值得关注的是，空间微重力环境使得原位制造、组装超大尺寸构件已成为可能。3D打印是一种采用逐层堆积直接进行零件成形的数字化增材制造工艺，与传统减材或等材制造相比，3D打印技术消除了加工过程对中间模具的需求，能够进行快速需求响应，具有单件小批量定制化快速制造的优势，较适合空间制造需求。

迄今为止，太空微重力及热真空环境的3D打印技术主要为可适用于塑料的熔融沉积式(FDM)及可适合金属的(EBM)电子束无模成形制造这两种。而空间3D打印研究主要采用FDM方式，围绕着聚合物或复合材料(金属粉、金属丝及聚合物的混合物)进行，但聚合物和复合材料的强度一般不超过150MPa，严重限制了其空间应用范围。航天器中主要的零部件是由金属材料制备而成，因此，开发金属材料的空间3D打印尤为迫切。

目前，用于金属3D打印的材料品种较少，主要包括不锈钢、高温合金、钛合金、铝镁合金及稀有金属等。且这些金属3D打印技术主要采用激光直接熔化金属粉体(如SLM和EBM)，或采用粘合剂喷射技术(3DP)先将金属粉末粘结成型，再烧结成型制备金属零件。如专利CN106978577A公开了一种非晶合金复合材料的激光3D打印方法，并具体公开了通过激光器加热非晶合金复合材料合金粉末，利用同轴送粉3D打印方法逐层成型非晶合金复合材料构件。其克服了水淬法和铜模铸造法成型非晶合金复合材料尺寸较小和形状简单的缺点，在正常重力条件下能够解决非晶合金复合材料难以机械加工的问题。但该专利公开的非晶合金激光打印方法工艺较为复杂，且不能在如空间微重力条件等一些特殊的环境下使用，具体不足为：(1)非晶合金粉末制备工艺复杂，且出粉率不高，一般雾化制粉设备出粉率仅为50％左右，因此制备打印原材料需要很高的成本；(2)由于其利用激光对铺设粉体进行加热，铺粉部件使得设备体积较大，内部结构分布不够紧凑，且粉体在加热过程中容易飞溅，金属粉末本身在空间微重力条件下也无法实现正常铺粉，无法实现在轨制造的功能；(3)由于金属粉末之间的接触面积较小，导热受到限制，大的温度梯度往往会引起大的热应力及残余应力，在复杂的空间环境下，容易导致零件产生变形、裂纹等缺陷；(4)由于航天器可用空间的限制以及太空微重力的特殊环境，空间3D打印系统需要轻质、便捷、小型化、稳定性高和自动化。因此，亟待发明一种新型的金属材料空间3D打印成形技术，并研发与之匹配的新型金属材料。专利CN109434112A公开了一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，并具体公开了采用加热装置仅在喷头附近区域加热非晶合金到过冷液相区，利用其超塑性实现成形。但该技术仍然存在如下技术问题：(1)对非晶合金的玻璃形成能力极高；(2)在空旷环境下，过冷液态非晶合金的热量散失非常快，这严重影响非晶合金的粘度。高粘度不可避免影响扩散连接，导致层与层之间焊接不牢，甚至脱离，严重影响成形件的力学性能与可靠性。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，采用棒材、带材或丝材作为3D打印原材料，不仅提高了原材料制备的成品率，而且增加了原材料之间的导热接触面积，可以降低成型零件的热应力及残余应力，进而降低零件变形、开裂风险。此外，原材料具有一定的刚度，易于固定，既避免了粉末飞溅及漂浮的情况，又能使得设备内部结构分布紧凑，节省空间，增加了设备工作稳定性，适合空间环境中在轨使用，而且也可用于地面环境。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种适用于微重力空间环境的D打印系统，包括：

外壳及设于该外壳外部的控制单元；

设于所述外壳内部的工作台及设于该工作台上的基板，所述基板与工作台固定，工作台底部与传动丝杆相连，可实现三自由度运动；

送料单元，其包括储料装置、设于该储料装置一端的送料机构，已经设于所述储料装置另一端的顶出机构，非晶合金材料储存于储料装置中，所述储料装置中装有复位弹簧，可将非晶合金材料压出至顶出位置，由所述控制单元控制顶出机构，将非晶合金材料经由送料机构连续均匀地输送至加工前端，送料机构内有夹持部件，可起固定非晶合金材料的作用；以及加工头部件，其包括小型激光器，该小型激光器发出的激光束与非晶合金材料同步移动，且末端集中至所述基板或成形零件上表面，从而打印出不同几何形状的零件。

进一步地，包括热源，所述热源设于所述基板的一端上方，并通过热传导、热辐射覆盖所述D打印成形零件，以对其进行整体保温，避免成形过程中温度梯度产生的残余应力过大，导致成形零件变形或开裂。

进一步地，所述顶出机构、储料装置、送料机构及小型激光器同轴送料、加热、成形。

进一步地，所述送料机构顶部为隔热陶瓷材料制备而成，底部安装有发热部件，用于对材料进行预热。

进一步地，3D打印材料既为非晶合金材料或钛合金、铝合金、Ni基高温合金或其他晶态金属材料。

进一步地，所述非晶合金材料选择合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基具备激光熔化成形能力的非晶态合金。

进一步地，所述非晶合金材料为棒材、带材或丝材。

进一步地，所述非晶合金材料在成形过程中始终保持被夹持状态，避免原材料在系统内散乱分布。

按照本发明的另一个方面，提供一种适用于微重力空间环境的3D打印方法，包括如下步骤：

S100：将材料安装于储料装置内；

S200：控制单元启动，控制顶出机构将材料经由送料机构连续均匀地输送至加工前端；

S300：小型激光器启动，发出的激光束对所述材料端部进行加热成型，同时工作台根据待打印零件的成型路径运动，直至打印出不同几何形状的零件；

S400：控制单元控制热源开启，并散射覆盖所述零件，以对其进行整体保温，避免成形过程中温度梯度产生的残余应力过大，导致成形零件变形或开裂，待所述零件整体成形后缓慢冷却。

进一步地，步骤S100中，材料为合金体系Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3，其玻璃转变温度385℃，晶化温度为470℃，最大铸造直径10mm，断裂韧性117MPa m1/2，疲劳强度为450MPa，弹性模量为82GPa。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明的适用于微重力空间环境的3D打印系统，采用具有一定刚度的非晶合金棒材、带材或丝材，相比于传统晶态金属材料，非晶合金具有抗原子氧剥蚀、防止高真空环境中冷焊、可抵抗冷热循环影响等优势性能，具有更高的空间环境适应性，因而具有更长的空间服役寿命，特别适合空间环境条件下的3D打印成形。

2.本发明的适用于微重力空间环境的3D打印系统，成形过程中，非晶合金原材料保持被夹持状态，不能随意滑动，可以避免原材料在系统内散乱分布，同时基于该设计思路，可以保证系统内部件分布紧凑高效，较传统铺粉打印设备更加小型化，也使得设备稳定性更高，给在轨制造技术提供了保障。

3.本发明的适用于微重力空间环境的3D打印系统，采用非晶合金棒材、带材或丝材，相比于传统的粉末原材料，提高了原材料制备的成品率，而且增加了原材料之间的导热接触面积，可以降低成型零件的热应力及残余应力，降低了零件产生变形、裂纹的风险。

4.本发明的适用于微重力空间环境的3D打印系统，热源设于所述基板的一端上方，并通过热传导、热辐射覆盖所述3D打印成形零件，以对其进行整体保温，避免成形过程中温度梯度产生的残余应力过大，导致成形零件变形或开裂。

5.本发明的适用于微重力空间环境的3D打印系统，基板设于工作台上，正常工作时，基板与工作台固定，工作台下方与传动丝杆相连，可以实现XYZ方向的移动，从而打印出不同几何形状的零件；且所述顶出机构、储料装置、送料机构、小型激光器共同组成该系统的加工头部件，非晶合金材料储存于储料装置中，储料装置中装有弹簧部件，可将非晶合金材料压出至顶出位置，由控制单元控制顶出机构，将非晶合金材料经由送料机构连续均匀地输送至加工前端，送料机构内有夹持部件，可起固定非晶合金材料的作用，小型激光器发出的激光束与非晶合金材料呈一定角度分布，且末端集中至基板或成形零件上表面，从而实现同轴送料功能，大大提高了成形速率。

附图说明

图1为本发明实施例一种适用于微重力空间环境的3D打印系统示意图；

图2为本发明实施例中3D打印零件的实物图；

图3为本发明实施例一种适用于微重力空间环境的3D打印方法的流程图。

在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-外壳、2-控制单元、3-顶出机构、4-储料装置、5-非晶合金材料、6-送料机构、7-小型激光器、8-激光束、9-成形零件、10-热源、11-基板、12-工作台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

针对火箭发射的载荷以及航天器可用空间的限制，本发明提出一种适用于航天器的空间3D打印系统。如图1所示为本发明实施例一种适用于微重力空间环境的3D打印系统示意图，该3D打印系统包括外壳1、控制单元2、顶出机构3、储料装置4、非晶合金材料5、送料机构6、小型激光器7、激光束8、成形零件9、热源10、基板11、工作台12。其中控制单元2设于外壳1外部，控制单元2可以地面远程控制，也可以现场操控。本发明3D打印系统由于空间具有超真空环境，因此无需真空系统或气体保护。

非晶合金具有玻璃态结构，随着温度升高依次会发生玻璃转变、晶化和熔化，在玻璃转变和晶化之间的温度称之为过冷液态区，在此温度区间，粘度随温度升高而降低，由于在过冷液态区具有超塑性，具有极大的柔韧性，非常容易发生形变，从而使得非晶合金材料完全熔化前经历一个柔韧性很大的阶段，这可以使得非晶合金材料被加热区域(即非晶合金材料下端)铺料更加平整，进而易于得到致密度更高的成形零件。

此外，在现有非晶合金粉末SLM成形的研究中发现，成形件中粉末的熔池区域和热影响区在成分和结构上有较大差异，熔池区内为非晶结构，热影响区内为非晶与纳米晶的复合结构，两种结构上的不均匀性使得成形件在宏观上出现软化点，也容易导致大的内应力和边界处微裂纹的产生，使得成形件性能恶化。鉴于此因素，本发明采用棒材、丝材和带材作为3D打印原料，具有更大的导热接触面积，且有上述超塑性效应，可以使得材料结合更加紧密，能够及时将热量传递，减小热影响区的作用范围，进而可以降低成形件的成分、结构不均匀性，得到性能更加优良的成形件。

而且，空间辐射环境产生电离化的电离辐射和高能带电粒子。晶态材料经过粒子辐照，粒子与原子的各种碰撞效应导致受激发原子的自由迁移，再通过撞击其他原子产生级联效应，引起晶界缺陷产生，逐渐产生材料宏观上的结构损伤和性能失效。而非晶合金由于具有无序原子结构，降低了粒子辐照诱导缺陷的产生、长大和集中，此外，非晶合金因其特殊的原子结构具有较低的材料表面摩擦系数和黏着系数，可有效防止空间中冷焊现象的发生。因此，本实施例中，优选合金体系为Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3，其具体参数为玻璃转变温度385℃，晶化温度约Tx～470℃，最大铸造直径10mm，断裂韧性117MPa m1/2，疲劳强度为450MPa，弹性模量为82GPa。

根据所选非晶合金体系，将金属原料按原子比进行配比，熔炼均匀。考虑到便携性和有限的空间要求，本方案采用具有一定刚度的非晶合金材料5，制备成棒材。

在本发明的优选实施例中，所述非晶合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基等所有非晶态合金。

为了使非晶合金材料5能够发生界面冶金焊合，本方案设计采用小型激光器7对非晶合金材料5进行加热，非晶合金材料5在激光加热的作用下，依次经历玻璃转变、过冷液态区、晶化和熔化阶段。其中非晶合金材料5跟随着由顶出机构3、储料装置4、送料机构6、小型激光器7共同组成的加工头部件同轴运动，与下方由丝杆传动的工作台12发生相对运动，丝杆传动由控制单元2控制完成，直至完成3D打印过程。具体而言，工作台12置于外壳1的底部，且与基板11固定，基板11用于放置打印成形的零件。工作台12其中一侧上方设有加工头部件，非晶合金材料棒材储存在储料装置4中，储料装置4中安装有弹出部件，可以将棒材从储料装置4中弹出，再由顶出机构3将棒材以特定速率送至送料机构6，送料机构6中有夹持装置，可以保证棒材端部均匀稳定地输送至激光加热位置，顶出机构3和送料机构6的运动动作由控制单元2控制完成，从而精确控制3D打印成形零件的成形质量。

此外，在进行3D打印零件成形时，大的温度梯度往往会引起大的热应力/残余应力，从而导致成形零件开裂或变形。因此作为本发明的另一个改进，采用热源10对整个加工区域在地狱玻璃转变温度50-100℃保温，降低温度梯度，减小热应力/残余应力，避免非晶合金在空间3D打印中发生变形或开裂，具体而言，在工作台12的一侧，位于基板11的上方设有热源10，优选地，该热源选用卤灯，热源功率调节由控制单元2控制完成。

进一步优选地，为了防止激光束8对非晶合金材料加热时热量散失，设计使得非晶合金材料经由送料机构6通过，其中送料机构6上部采用隔热陶瓷制作，下部安装有发热部件可对棒材下端进行预热。此设计可提高激光加热速度，提升3D打印成形速率；亦可降低温度梯度，减小热应力/残余应力；还可软化棒材，利于铺料，有助于得到更加致密的成形零件。预热温度可由控制单元2完成。

如图1所示，在本发明的优选实施例中，非晶合金材料可以为棒材、丝材或者带材。采用棒材、带材或丝材作为3D打印原材料，不仅提高了原材料制备的成品率，而且增加了原材料之间的导热接触面积，可以降低成型零件的热应力及残余应力，进而降低零件变形、开裂风险。此外，原材料具有一定的刚度，易于固定，既避免了粉末飞溅及漂浮的情况，又能使得设备内部结构分布紧凑，节省空间，增加了设备工作稳定性，适合空间环境中在轨使用，而且也可用于地面环境。

如图1所示，在本发明的优选实施例中，轻质便捷的3D机壳体1与基板11可以选择铝/铝合金、钛/钛合金等金属材料。

在本发明的优选实施例中，送料机构6可实现加载或振动加载，如图2所示，制备的金属零件致密无缺陷。而现有的金属3D打印激光技术难以避免孔洞等缺陷，并且通常需要后处理调节成型件的结构与性能。

本发明另一个实施例提供一种适用于微重力空间环境的3D打印方法，如图3所示，包括如下步骤：

S100：将材料安装于储料装置内；

本发明的方法，正常工作时，基板与工作台固定，工作台下方与传动丝杆相连，可以实现XYZ方向的移动，从而打印出不同几何形状的零件；且所述顶出机构、储料装置、送料机构、小型激光器共同组成该系统的加工头部件，非晶合金材料储存于储料装置中，储料装置中装有弹簧部件，可将非晶合金材料压出至顶出位置，由控制单元控制顶出机构，将非晶合金材料经由送料机构连续均匀地输送至加工前端，送料机构内有夹持部件，可起固定非晶合金材料的作用，小型激光器发出的激光束与非晶合金材料呈一定角度分布，且末端集中至基板或成形零件上表面，从而实现同轴送料功能，大大提高了成形速率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，包括：

外壳(1)及设于该外壳(1)外部的控制单元(2)；

设于所述外壳(1)内部的工作台(12)及设于该工作台(12)上的基板(11)，所述基板(11)与工作台(12)固定，工作台(12)底部与传动丝杆相连，可实现三自由度运动；

送料单元，其包括储料装置(4)、设于该储料装置(4)一端的送料机构(6)，以及设于所述储料装置(4)另一端的顶出机构(3)，非晶合金材料(5)储存于储料装置(4)中，所述储料装置(4)中装有复位弹簧，可将非晶合金材料(5)压出至顶出位置，由所述控制单元(2)控制顶出机构(3)，将非晶合金材料(5)经由送料机构(6)连续均匀地输送至加工前端，送料机构(6)内有夹持部件，可起固定非晶合金材料(5)的作用；

以及加工头部件，其包括小型激光器(7)，该小型激光器(7)发出的激光束(8)作用于非晶合金材料(5)的顶端，在基板(11)或成形零件上表面熔化成形，从而打印出不同几何形状的零件。

2.根据权利要求1所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，包括热源(10)，所述热源(10)设于所述基板(11)的一端上方，并通过热传导、热辐射覆盖所述3D打印成形零件，以对其进行整体保温，避免成形过程中温度梯度产生的残余应力过大，导致成形零件变形或开裂。

3.根据权利要求1所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，所述顶出机构(3)、储料装置(4)、送料机构(6)及小型激光器(7)同轴送料、加热、成形。

4.根据权利要求1所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，所述送料机构(6)顶部为隔热陶瓷材料制备而成，底部安装有发热部件，用于对材料进行预热，避免高温度梯度引起成形件开裂。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，3D打印材料既为非晶合金材料(5)或钛合金、铝合金、Ni基高温合金或其他晶态金属材料。

6.根据权利要求5所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，所述非晶合金材料(5)选择合金体系为Pd、Pt、Au、Zr、Ti、Fe、Cu、Ni、Al、Mg和/或Ce基具备激光熔化成形能力的非晶态合金。

7.根据权利要求6所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，所述非晶合金材料(5)为棒材、带材或丝材。

8.根据权利要求7所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，其特征在于，所述非晶合金材料(5)在成形过程中始终保持被夹持状态，避免原材料在系统内散乱分布。

9.一种适用于微重力空间环境的3D打印方法，其特征在于，包括如下步骤：

S100：将材料安装于储料装置内；

S300：小型激光器启动，发出的激光束对所述材料端部进行加热成形，同时工作台根据待打印零件的成形路径运动，直至打印出不同几何形状的零件；

S400：控制单元控制热源开启，并通过热传导、热辐射覆盖所述零件，以对其进行整体保温，避免成形过程中温度梯度产生的残余应力过大，导致成形零件变形或开裂，待所述零件整体成形后缓慢冷却。

10.根据权利要求9所述的一种适用于微重力空间环境的3D打印方法，其特征在于，步骤S100中，材料为合金体系Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3，其玻璃转变温度385℃，晶化温度为470℃，最大铸造直径10mm，断裂韧性117MPa m1/2，疲劳强度为450MPa，弹性模量为82GPa。