CN111941834B - 适用于微重力环境的光固化3d打印系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及3D打印技术领域，具体涉及一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统及方法，以在微重力环境下实现光固化3D打印技术。其包括光固化3D打印机、受力调整装置以及中央控制系统；受力调整装置通过驱动装置驱动旋转舱旋转，以调整旋转舱内部光固化3D打印机的受力，使得光固化3D打印机在微重力环境下完成打印，本发明能够支持高密度金属的打印，通过受力调整系统，实现浆料平铺，从而使得本发明制件品质更优良，同时本发明具有的在线监测系统能够对光固化3D打印机的浆料、制件进行实时监测，保证打印质量，同时本发明能够有效利用太空环境的空间和物力资源，解决空间站无法携带过多材料，补给困难、补给周期长的缺点，降低太空任务成本。

Description

适用于微重力环境的光固化3D打印系统及方法

技术领域

本发明涉及3D打印的技术领域，具体涉及一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统及方法。

背景技术

光固化3D打印技术是3D打印技术的一种，其原理是对数字模型进行一定厚度的分层处理，再通过特定光源照射光敏材料使光敏材料逐层固化并累积，最终形成与数字模型一样的实体模型。当光固化3D打印种类为金属光固化3D打印或陶瓷光固化3D打印时，技术常伴有后处理工艺——烧结，而当光固化3D打印种类为树脂光固化3D打印时则无需烧结步骤。

比起其他以金属为原材料的3D打印技术，光固化3D打印技术可以高效利用金属原材料。对于陶瓷材料，光固化3D打印技术可以将力学化学性质复杂的陶瓷材料加工成型且不损失其原有材料性质优势。除此之外，配备相关实时监测设备的使用，光固化3D打印技术因其成型速度快、成型精度高、表面光滑等特性，常常被应用于模型制造、精密零件制造和医学领域等。

3D打印技术的发展无疑给人类的生活带来极大的便利，将光固化3D打印技术带入太空，将有力的推动人类的太空探索。光固化3D打印技术通常以金属粉末或陶瓷粉末与光敏树脂相混合作为主要原料，金属材料的应用在太空探索中具有极其重要的地位，设备零件乃至起居用品的制造都离不开金属。当飞船某些零部件需要修理更换时，比起等待从地球送来的备用品，宇航员直接可以在太空环境下利用光固化3D打印生产制件，这节省了昂贵的运输费用与宝贵的时间。而陶瓷材料的应用也比在地球上的应用要广泛，陶瓷材料在高温环境下和高辐射环境下仍然可以保持稳定的物理性质和化学性质，在这一点上甚至超过了金属材料。此外，生物陶瓷材料具有良好的生物相容性和生物组织亲和性，当宇航员出现紧急情况如骨折时，可通过光固化3D打印技术构建骨骼组织和软骨组织，实现对宇航员的及时医疗救治，保障了宇航员的人身安全。

在太空环境下进行光固化3D打印，其制件大部分将用于仪器维修、精密零件制造、生物医学等用途，对打印制件精度有着极高要求。而打印环境又存在很多不可控量，如引力变化、温度变化、辐射影响等，都会影响到打印进程的准确性。

金属混合浆料和陶瓷混合浆料的制备，一般为将粉末材料与光敏树脂相混合形成的悬浮液。在地球上时，悬浮液在处于静止状态时，悬浮液内的粉末状材料会受到重力影响逐渐沉淀，影响打印效果。一些具有特殊性能的金属，如镍、钨、金等，在地球上其粉末材料悬浮液会因密度过大而迅速沉淀分层，几乎无法完成打印进程。

发明内容

为了解决上述问题，即为了在微重力环境下实现光固化3D打印技术，本发明提出了以下方案以解决上述问题。

方案一：一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统，包括光固化3D打印机、受力调整装置以及中央控制系统；所述受力调整装置包括底座、旋转舱以及用于驱动所述旋转舱转动的驱动装置，所述旋转舱与所述底座回转连接；

所述旋转舱包括内部设有容纳空间的舱体，所述光固化3D打印机固定于所述容纳空间内，所述光固化3D打印机的料槽贴合所述舱体侧壁设置，所述光固化3D打印机的机头沿所述旋转舱的半径延伸方向运动；

所述光固化3D打印机在所述驱动装置驱动所述旋转舱绕其自身轴向旋转的过程中，完成打印。

方案二、根据方案一所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：还包括在线监测系统，用于在所述光固化3D打印机的工作过程中采集数据并反馈至所述中央控制系统，所述中央控制系统根据所述在线监测系统反馈的数据控制所述光固化3D打印机以及所述驱动装置。

方案三、根据方案二所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述在线监测系统包括监测装置，所述监测装置能够对所述光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及所述料槽内浆料的沉降情况进行监测，并将监测结果传输至所述中央控制系统；所述中央控制系统对所述监测结果进行分析并判断所述制件的固化与堆叠情况、所述制件的成型情况以及所述浆料的沉降情况，所述中央控制系统基于判断结果进行控制。

方案四、根据方案三所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述中央控制系统配置为基于所述监测结果，通过神经网络系统得到所述旋转舱内的情况。

所述旋转舱内的情况包括所述光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及所述料槽内浆料的沉降情况；神经网络系统包括多个神经网络，各神经网络分别通过不同的训练方式获取，并分别用于监控旋转舱内的不同情况。例如需要获取制件的成型情况时，则基于待打印的制件尺寸数据构建神经网络并进行训练，训练时以打印后的制件尺寸数据作为输入数据集，以建模尺寸作为输出数据集，最终获取用于监控制件的成型情况的神经网络。

方案五、根据方案三所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述监测装置包括二维图像采集设备和三维图像映射设备；

所述二维图像采集设备用于获取所述制件和所述浆料的二维图像数据，以检测所述制件的固化与堆叠情况以及所述浆料的沉降情况；

所述三维图像映射设备用于获取所述制件的三维图像数据，以检测所述制件的成型情况。

方案六、根据方案二所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述在线监测系统还包括温湿度传感器，用于采集所述光固化3D打印机成型区域的温度和湿度数据，并将所述温度和湿度数据传输至所述中央控制系统；所述中央控制系统对接收到的所述温度和湿度数据进行分析以判断液体浆料能否顺利进行光聚合反应，所述中央控制系统基于判断结果进行控制。

方案七、根据方案六所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述中央控制系统基于机器学习算法对所述温度和湿度数据进行分析。

方案八、根据方案一所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：还包括脱脂烧结设备与机械臂，所述机械臂用于将所述光固化3D打印机加工完成的制件移动至所述脱脂烧结设备处；所述机械臂由所述中央控制系统控制。

方案九、根据方案一中所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中：所述旋转舱内设置吸尘设备，其用于清理所述旋转舱内的粉尘。

方案十，根据方案一所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中，所述旋转舱的转速范围是：

其中，n为旋转舱的旋转速度；g为重力加速度；r为旋转舱的旋转半径。

方案十一，根据方案五所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其中，

所述中央控制系统基于预设的判断方法分别判断所述制件的二维图像数据、所述浆料的二维图像数据、所述制件的三维图像数据是否大于预设阈值，若所述制件的二维图像数据、所述浆料的二维图像数据、所述制件的三维图像数据中任一项大于预设阈值，则生成控制信号；所述中央控制系统基于所述控制信号分别控制所述驱动装置和所述光固化3D打印机停止工作。

需要说明的是，所述预设的判断方法分别为：1)制件的二维图像数据与制件固化与堆叠情况的映射关系；2)浆料的二维图像数据与浆料沉降情况的映射关系；3)制件的三维图像数据与制件的成型情况的映射关系。

方案十二，一种适用于微重力环境的光固化3D打印方法，其中，将待打印材料通过预设的方法制成纳米材料后，基于上述技术方案一至十一中任一项所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统进行3D打印。

本发明优选技术方案中所述的机器学习方法，以人工神经网络为例，并不能限定本发明全部内容。在实际应用中：(1)首先需要获取训练样本数据，通过三维扫描等手段获取批量打印的制件的尺寸数据，并根据获得的数据信息构建人工神经网络。(2)对构建好的人工神经网络进行训练，使用打印后的制件尺寸数据为输入数据集，打印前的建模尺寸为输出数据集。通过逐层调整神经网络中损失函数L的参数，使得损失函数L最小，对相应神经网络进行训练。(3)在实际生产中，根据实际情况及需求，从预先训练好的多个人工神经网络中选取匹配程度最高的神经网络。

本发明的有益效果为：

本发明通过受力调整系统、在线监测系统、脱脂烧结设备与中央控制系统的结合，克服了在太空环境下因无重力作用而无法平铺浆料的问题，合理的利用向心力作用于浆料，使得浆料不会因重力而沉降分层，从而使得本发明制件品质比起在地球生产更加优良。

本发明能够将光固化3D打印技术在微重力环境下实现，有效利用太空环境的空间和物力资源，解决空间站无法携带过多材料，补给困难、补给周期长的缺点，降低太空任务成本。

本发明不仅能够利用微重力环境加工纳米级金属，完成高精度加工的同时降低加工成本；同时还能利用微重力环境加工在地球上难以加工的高密度金属，如钨、金等，克服了因材料分层沉降导致打印成品质量差的问题。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实例的系统架构示意图；

图2是本发明一实例的系统结构示意图一；

图3是本发明一实例的系统结构示意图二；

图4是本发明一实例的系统结构示意图三；

图5是本发明一实施例的光固化3D打印机示意图。

附图标记说明：

1-底座，2-旋转舱，21-侧壁；3-密封舱，31-光固化3D打印机设备外壳，32-悬臂，33-成型台，34-刮刀，35-数据接口，36-料槽，37-透镜系统，38-数字光源；4-中心轴承；5-驱动电机。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

参考附图1-4，本发明公开了一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统，包括光固化3D打印机、受力调整系统、机械臂、脱脂烧结设备、在线监测系统以及中央控制系统。

受力调整系统包括底座1、旋转舱2以及用于驱动旋转舱2转动的驱动装置，旋转舱2与底座1回转连接，具体地，旋转舱2与底座1通过中心轴承4进行连接。驱动装置具体包括驱动电机5。驱动电机5固定设置于底座1的内侧并且旋转舱2与驱动电机5的输出轴刚性连接。驱动电机5工作时带动旋转舱2转动。旋转舱2包括舱体和舱门，当舱门关闭时，舱体与舱门之间密封。

旋转舱2包括内部设有容纳空间的舱体，在本发明的优选实施例中，为了方便受力分析，将舱体设置为圆柱体，本领域技术人员可以根据实际情况灵活设置其形状和结构。光固化3D打印机密封处理后固定于旋转舱2的容纳空间内，光固化3D打印机固定于旋转舱2内，光固化3D打印机的料槽贴合圆柱体侧壁21设置，以使得光固化3D打印机的机头能够沿旋转舱的半径延伸方向运动，即光固化3D打印机的机头朝向旋转舱的轴心。具体地，光固化3D打印机通过密封舱3装设于旋转舱2的容纳空间中，在本发明的优选实施例中，光固化3D打印机设置为四个并且绕旋转舱2的旋转轴等角度分布，参阅图4，四个通过密封舱3密封后的光固化3D打印机沿旋转舱的周向均匀布置。本领域技术人员可对光固化3D打印机的数量进行调整。本实施例所示意的数量为优选数量，不能作为本发明的限定。

具体地，密封舱3内的光固化3D打印机结构如图5所示，其包括光固化3D打印机设备外壳31、悬臂32、成型台33、刮刀34、数据接口35、料槽36、透镜系统37以及数字光源38。料槽36内放置液体浆料。由悬臂32、成型台33、料槽36组成的成型区域应设置密封状态，防止液体浆料溢出。光固化3D打印机设备外壳31用于承载光固化3D打印机的所有部件，其材质优选为金属。通过数据接口35与中央控制系统信号连接。当光固化3D打印机收到中央控制系统下达的打印命令时，光固化3D打印机将在旋转舱2转速稳定之后开始打印进程。数据接口35接收中央控制系统传送的制件建模层切模型后，由数字光源38透过透镜系统37将单层层切图像投向料槽36，使得单层料槽36内的液体浆料固化成为单层制件薄片。随即悬臂32提升，为下一层制件薄片的打印留出空间，同时刮刀34辅助液体浆料铺平，方便下一层制件薄片的固化。光固化3D打印机重复以上步骤直至制件的所有薄片全部打印完毕，打印制件累积成型，可由人工或机械臂取出，进行其他处理。

当旋转舱旋转时，光固化3D打印机会受到离心力的作用。这样受力调整装置内的旋转舱以合理转速转动会为光固化3D打印机内混合浆料提供合理的离心力，使得混合浆料能够平铺在光固化3D打印机的料槽内，混合浆料又不至于过快发生沉淀，保障了打印进程的正常进行。

上述合理速度为：

其中，n为旋转舱的旋转速度；g为重力加速度；r为旋转舱的旋转半径。

具体地，本发明旋转舱的旋转速度由以下公式推导得到：

受力调整装置在中央控制系统的控制下，半径为r的旋转舱以转速n做圆周运动，旋转舱圆周运动的角速度ω为：

ω＝2πn

光固化3D打印机质量为m，本发明系统处于微重力环境，将光固化3D打印机在旋转舱旋转时所受各力正交分解为切向方向与法向方向，则理论上旋转舱内光固化3D打印机的向心力F为：

F＝mω²r

若该系统处于地球，取重力加速度g为9.8m/s²，同一光固化3D打印机所受重力为：

G＝mg

为达到使微重力环境下光固化3D打印机所受法向量方向分力小于其在地球所受重力，则基于上述公式推导到旋转舱角速度ω的合理值范围应为：

但因实际工作时该系统所处环境实际情况不同，旋转舱的实际旋转速度应在综合多次实验结果后确定。

且该系统工作时，旋转舱须以一定速度旋转，提供一定的向心力使液体浆料可以填充悬臂提升产生的空间。即得到旋转舱的合理转速范围应为：

旋转舱内还设置有用于吸收粉尘的吸尘装置，吸尘装置能够妥善处理打印进程中产生的微尘等杂志，保证了宇航员的健康和飞行器内其他设备的正常运行。

本发明还包括脱脂烧结设备，其包括烧结炉，烧结炉中固定安装有匣钵，用于脱去制件中的有机物等并烧结成型，烧结完成后得到拟打印的成品。

机械臂用于将光固化3D打印机加工完成的制件移动至脱脂烧结设备处或进行其他后处理。其可放置于任意位置，只要能使其完成制件在指定目标间移动即可。可以理解的是，说明书即可描述清楚本发明所记载的技术方案，为简要说明本发明的优选实施例，因此在附图中并未对机械臂、脱脂烧结设备等机构进行示意。

光固化3D打印机、吸尘装置、机械臂以及驱动装置均与中央控制系统电连接并由中央控制系统控制。

在线监测系统包括监测装置以及温湿度传感器。

在一些优选实施例中，本发明的监测装置能够对光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及料槽36内浆料的沉降情况进行监测，并将监测结果传输至中央控制系统。中央控制系统对其监测结果进行分析并判断制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及浆料的沉降情况，中央控制系统基于判断结果进行控制。具体地，中央控制系统配置为基于监测结果，通过神经网络系统得到旋转舱内的情况；其中，旋转舱2内的情况包括光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及料槽36内浆料的沉降情况；具体地，神经网络系统包括多个神经网络，各神经网络分别通过不同的训练方式获取，并分别用于监控旋转舱内的不同情况。例如需要获取制件的成型情况时，则基于待打印的制件尺寸数据构建神经网络并进行训练，训练时以打印后的制件尺寸数据作为输入数据集，以建模尺寸作为输出数据集，最终获取用于监控制件的成型情况的神经网络。本领域技术人员可以理解的是，用于监控料槽内浆料的沉降情况的神经网络的训练方式可参照上述同样用于监控制件的成型情况的神经网络的训练方式进行，在此不再赘述。

在一些优选实施例中，监测装置包括二维图像采集设备和三维图像映射设备；其中二维图像采集设备用于获取制件和浆料的二维图像数据，以检测制件的固化与堆叠情况以及浆料的沉降情况；三维图像映射设备用于获取制件的三维图像数据，以检测制件的成型情况。监测装置将上述采集的制件的二维图像数据、浆料的二维图像数据以及制件的三维图像数据发送至中央控制系统，中央控制系统基于预设的判断方法对制件的二维图像数据、浆料的二维图像数据以及制件的三维图像数据进行判断；当制件的二维图像数据、浆料的二维图像数据以及制件的三维图像数据中的任一项大于阈值时，中央控制系统分别控制驱动装置和所述光固化3D打印机停止工作。

具体地，二维图像采集设备包括照相机和摄像机，其能够对制件的固化与堆叠情况进行监测。具体地，通过监测装置对制件的固化与堆叠情况进行拍摄得到二维图像数据，二维图像数据即对制件的监测结果，监测装置将监测结果二维图像数据传输至中央控制系统，中央控制系统基于监测结果二维图像数据，通过预设的判断方法，例如机器学习算法中的预训练的神经网络将对二维图像数据进行分析，具体地，预训练的神经网络是基于待打印的制件尺寸数据构建并进行训练，训练时以打印后的制件尺寸数据作为输入数据集，以建模尺寸作为输出数据集；本发明基于预训练的神经网络判断单层固化之间的厚度和形状是否大于阈值，即判断其是否符合预期的设定，若不符合，中央控制系统能够及时控制光固化3D打印机、驱动装置、吸尘装置、机械臂、脱脂烧结设备停止工作，通过设备调整或人工操作对制件或浆料进行调整，调整好后继续控制各设备工作，进而实现本发明加工质量的实时监测，保证加工质量。本领域技术人员也可采用其他二维图像采集设备，只要能够获得制件合浆料的二维图像数据即可。

可以理解的，本发明监测装置的二维图像采集设备同样能够对料槽内浆料的沉降情况进行检测，除了照相机和摄像机外，本发明的中央控制系统还配置有用于判断料槽内液体浆料粉末颗粒沉降情况的预设机器学习算法，例如人工神经网络学习方法、支持向量机算法(Support Vector Machine，以下简称SVM)，具体判断方法可参阅上述对制件的固化与堆叠情况的监测结果传输流程。该机器学习算法使用打印后的制件尺寸数据为输入数据集，打印前的建模尺寸为输出数据集。在实际应用中：(1)首先需要获取训练样本数据，通过三维扫描等手段获取批量打印的制件的尺寸数据，并根据获得的数据信息构建人工神经网络。(2)对构建好的人工神经网络进行训练，使用打印后的制件尺寸数据为输入数据集，打印前的建模尺寸为输出数据集。通过逐层调整神经网络中损失函数L的参数，使得损失函数L最小，对相应神经网络进行训练。(3)在实际生产中，根据实际情况及需求，从预先训练好的多个人工神经网络中选取匹配程度最高的神经网络。损失函数L用于评价预期输出与真实输出之间的损失，其构建方法和表示方式多样，本领域技术人员可根据实际情况灵活调整。需要说明的是，针对不同的监测结果，具体需要不同的预训练神经网路进行分析判断。例如，当需要判断料槽内浆料的沉降情况，神经网络可以依据监测浆料的沉降情况进行构建，具体地，让神经网络记录浆料不同沉降程度时的制件打印质量并进行深度学习，以此，依据实时的制件打印质量来获取当前浆料的沉降程度；当检测到浆料的沉降程度影响打印质量时进行自我修正的目的。或者可直接通过二维图像监测浆料内的沉降情况，通过肉眼辨别。

本发明中央控制系统通过预设的判断规则以判断浆料的沉降情况，具体地，判断规则为浆料的二维图像数据与浆料沉降情况的映射关系，即可通过上述预训练的神经网络实现。若沉降情况发生变化或本发明设备出现故障，导致光固化3D打印机料槽内的液体浆料发生异常沉淀分层时，中央控制系统将进行相应调整，及时停止驱动装置、光固化3D打印机等设备的工作；或及时开启警报器，提示设备调试人员对设备进行检修、修正。本发明的监测装置能够对制件是否出现扭曲变形、裂纹或孔洞进行监测，同时还能判断液体浆料是否发生影响打印效果的沉降。二维图像采集设备(照相机和摄像机)的数据采集速度极高且易于分析，能够使得明显的进程错误在第一时间被发现。

更进一步地，在本发明的优选实施例中，三维图像映射设备包括三维扫描仪，其用于对制件进行扫描以生成三维图像数据，并将三维图像数据传输至中央控制系统。三维扫描仪可以直接获取制件形状，若制件在成型过程中出现超出可控范围的变形，其反馈给中央控制系统后，本发明的中央控制系统可及时进行修正或停止进程。例如，当制件出现较大的变形或失败时，三维扫描仪能够及时获取制件的三维数据并反馈给中央控制系统，中央控制系统获取到制件的三维图像数据后，基于预设的判断方法判断制件的成型情况，此处预设的判断方法为三维图像数据与制件的成型情况的映射关系，具体可通过预训练的神经网络实现判断。具体地，预训练的神经网络是指预先训练好的神经网络，在监控制件的成型情况时，其且基于待打印的制件尺寸数据构建并进行训练，训练时以打印后的制件尺寸数据作为输入数据集，以建模尺寸作为输出数据集。将打印后的实际(有误差)的尺寸输入，让神经网络进行一系列算法，来使这个尺寸被修正为标准的建模尺寸，此时达到了对神经网络进行训练的目的。当中央控制系统判断出制件变形或失败后，及时控制驱动装置停止工作以控制旋转舱停止旋转，同时控制光固化3D打印机停止打印。由人工调整或经设备调整后，中央控制系统继续控制驱动装置及光固化3D打印机工作。可以理解的是，三维数据能够补足二维图像采集设备采集到的图像细节的不足，相比二维图像能够更全面、更真实的反应打印进程情况。中央控制系统在接收到三维数据后进行三维模型重建，以实现打印过程的可视化，同时实现了对打印过程的人工监控。本领域技术人员也可采用其他三维图像映射设备，只要能够获得制件的三维图像数据即可。

温湿度传感器用于采集光固化3D打印机成型区域的温度和湿度数据，并将温度和湿度数据传输至中央控制系统。光固化3D打印过程中，湿度过大会影响固化精度，也会影响制件的成色；通过设置湿度传感器，使得本发明能够保证制件精度和成色。同时不同种类光敏树脂在不同温度下固化的硬度不同，为了避免温度对固化过程的影响，本发明还设置温度传感器，以及时监测成型区域的温度。中央控制系统基于机器学习算法对接收到的温度和湿度数据进行分析以判断液体浆料能否顺利进行光聚合反应。同时，温度数据还能够监测光固化3D打印机的零件的温度，中央控制系统同样对其进行分析以及时发现设备的异常情况。本发明中所述的机器学习算法为基于大量数据收集的深度学习神经网络，其能够监测系统内所有子系统的工作情况并将数据反馈给中央控制系统。

在线监测系统可以通过有线或无线的方式与中央控制系统建立数据链路。在线监测系统采集的数据经反馈给中央控制系统，中央控制系统根据在线监测系统反馈的数据进行调整，在线监测系统和中央控制系统构成了一个闭环反馈系统。

而当打印进程中出现超过预期的偏差(如温度和湿度不适合进行打印进程，或制件出现扭曲变形、裂纹或空洞)以至中央控制系统无法通过自行调节修复时，中央控制系统控制整个光固化3D打印系统停机并进行报警。

本优选案例中的人工神经网络学习方法，并不能限定本发明全部内容。在实际应用中：(1)首先需要获取训练样本数据，通过三维扫描等手段获取批量打印的制件的尺寸数据，并根据获得的数据信息构建人工神经网络。(2)对构建好的人工神经网络进行训练，使用打印后的制件尺寸数据为输入数据集，打印前的建模尺寸为输出数据集。通过逐层调整神经网络中损失函数L的参数，使得损失函数L最小，对相应神经网络进行训练。(3)在实际生产中，根据实际情况及需求，从预先训练好的多个人工神经网络中选取匹配程度最高的神经网络。

本发明的3D打印装置原材料为金属粉末、陶瓷粉末与树脂浆料的混合浆料，包括因密度过大而无法在地球上使用混合浆料打印制造的金属。本发明还能够打印金属粉末与陶瓷粉末混合浆料，并能够达到生产特定性能制件的目的。本发明的3D打印装置还能够实现纳米级光固化3D打印，使用纳米级金属粉末如镍、钨和钛离子制成的特殊光刻胶，制造高精度金属制件。将金属制成纳米级粉末，使其更加分散，以方便本发明完成光固化3D打印。本发明利用光固化3D打印金属材料制件，有效利用太空环境的空间和物力资源，解决空间站无法携带过多材料，补给困难、补给周期长的缺点，降低太空任务成本。此外，本发明还能够对生物陶瓷材料进行3D打印，当宇航员出现紧急情况如骨折时，可通过本发明光固化3D打印技术构建骨骼组织和软骨组织，实现对宇航员的及时医疗救治，保障宇航员的人身安全。

本发明在使用时，通过操纵中央控制系统开始打印进程、旋转舱转动为本发明打印装置调整受力、光固化3D打印机逐层进行打印、机械臂取出成型后的坯体并送入烧结炉烧结，直至制件最终成型。制件加工过程中，在线监测系统对光固化3D打印机进行实时监测，并进行相应自动调控，如果无法自主将异常进程调整正常，将停止当前进程并提示人工调整。

具体地，为了更清楚的描述本发明的打印系统，下面对打印方法进行展开描述。

1.训练样本数据

获取批量打印的制件的尺寸数据，并根据获得的数据信息构建人工神经网络，基于人工神经网络训练本发明的中央控制系统，实时打印中的制件尺寸数据为输入数据集，打印前的建模尺寸为输出数据集；

2.启动受力调整装置并打印

控制驱动装置，使旋转舱按预设转速旋转，待光固化3D打印机料槽内的浆料平铺后，启动光固化3D打印机按照基于制件的建模尺寸数据集开始打印；在打印过程中，控制吸尘装置实时吸尘；

3.在线监测

在光固化3D打印机打印过程中，监测装置通过二维图像采集设备和三维图像映射设备采集的实时图像数据传输给中央控制系统；温湿度传感器将采集到的实时温度和湿度数据传输给中央控制系统，中央控制系统基于监测装置的图像数据和温湿度数据通过预先训练的神经网络进行判断并控制；

具体地，二维图像采集设备采集制件和浆料的二维图像数据，并传输给中央控制系统，中央控制系统基于二维图像数据判断制件是否发生固化与堆叠情况以及浆料是否发生沉降，如是，控制驱动装置、光固化3D打印机等设备停止工作；

三维图像映射设备用于采集制件的实时三维图像数据并传输给中央控制系统，中央控制系统基于三维图像数据判断制件是否出现变形或其他缺陷，如是，控制驱动装置、光固化3D打印机等设备停止工作；

温湿度传感器用于采集光固化3D打印机成型区域的温度和湿度数据，中央控制系统基于温度和湿度数据判断制件的精度、成色、硬度是否在预设阈值内，如否，控制驱动装置、光固化3D打印机等设备停止工作；

上述设备停止工作后，可通过设备对制件、浆料进行调整修正，或通过安全装置警报器等通知操作人员，操作人员对制件、浆料进行调整修正或丢弃，而后控制各设备重新启动，继续进行打印。

4.打印完成

打印完成后，控制机械臂将光固化3D打印机加工完成的制件移动至脱脂烧结设备处或进行其他后处理。

综上所述，本发明能够将光固化3D打印技术在微重力环境下实现。同时本发明还能够利用微重力环境加工高密度金属，如钨、金等，这些高密度金属在正常重力环境下无法利用光固化3D打印技术加工。

本发明另一方面提供一种适用于微重力环境的光固化3D打印方法。具体地，将待打印的材料通过预设的方法制成纳米材料后，基于上述实施例所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统进行3D打印。进一步地，预设的方法可以为压力烧结、场辅助烧结技术、惰性气体蒸发、原位加压法、高能球磨法和非晶晶化法等，本领域技术人员也可采用其他方法制备待打印纳米材料，此方法中，待打印的材料优选为金属材料。通过本发明的方法，将待打印的材料制备成纳米材料能够解决现有技术中金属液体浆料易沉淀的问题。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明通过受力调整系统、在线监测系统、脱脂烧结设备与中央控制系统的结合，克服了在太空环境下因无重力作用而无法平铺浆料的问题，合理的利用向心力作用于浆料，使得浆料沉降分层效果大大削弱，从而使得本发明制件品质比起在地球生产更加优良。

本发明能够将光固化3D打印技术在微重力环境下实现，有效利用太空环境的空间和物力资源，解决空间站无法携带过多材料，补给困难、补给周期长的缺点，降低太空任务成本。

本发明不仅能够利用微重力环境完成金属纳米级粉末的3D打印，完成高精度加工的同时降低加工成本；同时还能利用微重力环境加工在地球上无法加工高密度金属，如钨、金等，克服了因材料分层沉降导致打印成品质量差的问题。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：包括光固化3D打印机、受力调整装置、在线监测系统以及中央控制系统；所述受力调整装置包括底座、旋转舱以及用于驱动所述旋转舱转动的驱动装置，所述旋转舱与所述底座回转连接；

所述旋转舱包括内部设有容纳空间的舱体，所述光固化3D打印机固定于所述容纳空间内，所述光固化3D打印机的料槽贴合所述舱体侧壁设置，所述光固化3D打印机的机头沿所述旋转舱的半径延伸方向运动；

所述光固化3D打印机在所述驱动装置驱动所述旋转舱绕其自身轴向旋转的过程中，完成打印；

所述在线监测系统包括监测装置，所述监测装置能够对所述光固化3D打印机料槽内浆料的沉降情况进行监测，并将监测结果传输至所述中央控制系统；所述中央控制系统对所述监测结果进行分析并判断所述浆料的沉降情况，所述中央控制系统基于判断结果控制所述光固化3D打印机以及所述驱动装置，所述中央控制系统基于判断结果控制所述驱动装置以调整所述旋转舱的转速；所述浆料为金属粉末或陶瓷粉末与光敏树脂的混合物。

2.根据权利要求1所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述监测装置还能够对所述光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况和制件的成型情况进行监测，并将监测结果传输至所述中央控制系统；所述中央控制系统对所述监测结果进行分析并判断所述制件的固化与堆叠情况和所述制件的成型情况，所述中央控制系统基于判断结果控制所述光固化3D打印机以及所述驱动装置。

3.根据权利要求2所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述中央控制系统配置为基于所述监测结果，通过神经网络获取所述旋转舱内的情况；所述旋转舱内的情况包括所述光固化3D打印机制件的固化与堆叠情况、制件的成型情况以及所述料槽内浆料的沉降情况。

4.根据权利要求1所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述监测装置包括二维图像采集设备；所述二维图像采集设备用于获取所述浆料的二维图像数据，以检测所述浆料的沉降情况。

5.根据权利要求2所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述监测装置包括二维图像采集设备和三维图像映射设备；

所述二维图像采集设备用于获取所述制件和所述浆料的二维图像数据，以检测所述制件的固化与堆叠情况以及所述浆料的沉降情况；

所述三维图像映射设备用于获取所述制件的三维图像数据，以检测所述制件的成型情况。

6.根据权利要求1所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述在线监测系统还包括温湿度传感器，用于采集所述光固化3D打印机成型区域的温度和湿度数据，并将所述温度和湿度数据传输至所述中央控制系统；所述中央控制系统对接收到的所述温度和湿度数据进行分析以判断液体浆料能否顺利进行光聚合反应，所述中央控制系统基于判断结果进行控制。

7.根据权利要求6所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述中央控制系统基于机器学习算法对所述温度和湿度数据进行分析。

8.根据权利要求1所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：还包括脱脂烧结设备与机械臂，所述机械臂用于将所述光固化3D打印机加工完成的制件移动至所述脱脂烧结设备处；所述机械臂由所述中央控制系统控制。

9.根据权利要求1中所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：所述旋转舱内设置吸尘设备，其用于清理所述旋转舱内的粉尘。

10.根据权利要求1所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于，所述旋转舱的转速范围是：

0<n<

；

其中，n为旋转舱的旋转速度；g为重力加速度；r为旋转舱的旋转半径。

11.根据权利要求5所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统，其特征在于：

所述中央控制系统基于预设的判断方法分别判断所述制件的二维图像数据、所述浆料的二维图像数据、所述制件的三维图像数据是否大于预设阈值，若所述制件的二维图像数据、所述浆料的二维图像数据、所述制件的三维图像数据中任一项大于预设阈值，则生成控制信号；

所述中央控制系统基于所述控制信号分别控制所述驱动装置和所述光固化3D打印机停止工作。

12.一种适用于微重力环境的光固化3D打印方法，其特征在于，将待打印材料通过预设的方法制成纳米材料后，基于上述权利要求1-11中任一项所述的适用于微重力环境的光固化3D打印系统进行3D打印。

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