CN111958750B - 一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法及装置，方法步骤：将筛选后的模拟月壤材料干燥处理；调试激光器并将激光器对焦基板；设置工艺参数：激光功率设置为600‑700W，扫描速度设置为550‑650mm/min，扫描间距为1.5‑2.5mm，层厚为0.2‑0.4mm，转速设置为0.8‑1.2r/min，激光打印头流量20‑40g/min；将试验箱维持正压环境并净化；将干燥处理后的模拟月壤材料输入到所述的基板上，同时开启激光器按照上述工艺参数按照预设轨迹逐层沉积，实现模拟月壤的激光烧结熔融成型。

Description

一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法及装置

技术领域

本发明涉及一种模拟月壤激光烧结成型方法，主要用于航天、航空、建筑等技术领域。

背景技术

近年来，月球采样、载人登月等深空探测任务逐步实施，迅速催生了月球资源原位利用技术的发展。我国嫦娥探月工程发展计划已成功完成了“绕”和“落”两阶段，即将开始“回”的第三阶段。在月球上建立长期的生活、科研基地，越来越成为一个可以实现的计划。建立月基大型设施可以带来诸多好处，可以依靠月球无大气层等优势更好地开展空间观测等科学活动，可以成为人类未来从事科学研究的前哨阵地，可以开采月球上存在的丰富的月壤资源，可以依靠月球作为平台为我国进行深空探索提供重要支持。实际月壤的形成主要受物理破碎作用控制，陨石和微陨石撞击在其中起主导作用。由于陨石装置撞击产生高温熔融及破碎作用，月壤中常含有玻璃球、粘结颗粒，以及玄武岩、角砾岩碎块等，颗粒组成较为复杂，内部缺水，整体表现为散体颗粒性质。月壤呈现出以下典型性质：(1)内摩擦角度大，由于缺少水力、风力的搬运、磨蚀作用，月壤的颗粒棱角一般都很明显，导致内摩擦角较大，密实月壤内摩擦角高达50°。(2)密实度高，月壤的形成经历长期陨石冲击，冲击形成的振动导致月壤呈现出非常高的密实度。(3)月壤级配复杂且不同着陆区域的月壤存在不确定性。

在月球上建立长期的生活需要月面基地建设，进行月面基地建设所能够使用的原位资源主要为月壤。模拟月壤激光烧结成型技术通过单一模拟月壤材料的激光熔融烧结、成型，满足制件的成型精度和致密度要求，实现月球资源的原位利用和建造，是月球基地建设和持久运行和维护的关键技术，将为可持续的深空探测任务提供技术支撑。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种模拟月壤激光烧结成型工艺方法。

本发明解决技术的方案是：一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法，通过下述方式实现：

将筛选后的模拟月壤材料干燥处理；

调试激光器并将激光器对焦基板；设置工艺参数：激光功率设置为600-700W，扫描速度设置为550-650mm/min，扫描间距为1.5-2.5mm，层厚为0.2-0.4mm，转速设置为0.8-1.2r/min；

将试验箱维持正压环境并净化；

将干燥处理后的模拟月壤材料输入到所述的基板上，同时开启激光器按照上述工艺参数按照预设轨迹逐层沉积，实现模拟月壤的激光烧结熔融成型。

优选的，试验箱充入氩气置换，维持3-5mbar的正压环境，开启净化系统，维持氧气浓度50ppm以下。

优选的，干燥处理后的模拟月壤材料通过激光打印头输入到所述的基板上，激光打印头的流量范围20-40g/min。

优选的，干燥处理为将模拟月壤材料放入100-105℃烘箱烘1.5-2.5h。

优选的，选取100目和200目的筛子对模拟月壤材料进行筛选，分离出粒径范围为75-150μm之间的模拟月壤材料。

优选的，所述预设轨迹为优先对待打印试样最大外包络轮廓进行激光烧结，间歇10-20秒后，对内包络结构进行激光烧结成型。

优选的，模拟月壤激光烧结熔融成型后，在试验箱内采取自然冷却到室温后，再打开试验箱取出样件，以避免样件出现应力开裂。

一种适用于模拟月壤激光烧结成型装置，包括激光器、试验箱、送粉器、基板、工作台、激光打印头；

所述的送粉器选取负压载气式送粉器，将75-150μm粒径模拟月壤材料输送至试验箱内的激光打印头，通过送粉器的转速控制激光打印头的流量，将模拟月壤材料送至放置在工作台上的基板上；由激光器提供热源，对基板上的模拟月壤材料进行烧结成型。

优选的，激光器通过光纤与放置在试验箱内的激光打印头连接。

优选的，所述的基板选用TC4钛合金材料，以增强模拟月壤材料与基板的结合力。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)能够实现单一模拟月壤材料的激光烧结成型，质量轻、比表面积大、多组分的模拟月壤混合式3D打印一般需要采用水、添加剂、外用剂等多材料混合，配制出适合混合式3D打印要求达到的粘稠度，以实现模拟月壤“混凝土”材料按需、自动挤出成型。而激光烧结成型不需要添加任何组分，能够实现单一组分的模拟月壤材料直接烧结成型。

(2)负压载气式送粉装置能够实现送粉量和载粉气流量精确可控，并能够实现多组分不同级配的模拟月壤粉末的长距离输送和激光烧结的同步送粉，以满足模拟月壤激光烧结工艺要求。

(3)具有明显的快速熔凝特征，能够实现较高致密度的模拟月壤材料的激光烧结成型，减少气孔、疏松等缺陷。模拟月壤激光烧结成型方法针对材料颗粒小、质量轻、比表面积大、多组分、运动阻力大等特点，选用适合模拟月壤类材料的输出功率、送粉速度和送粉量等工艺参数，实现连续、均匀、稳定的物料传递、输出和烧结成型，实现较高致密度的模拟月壤材料的激光烧结成型，并减少气孔、疏松等缺陷。

(4)能够大幅度提高模拟月壤材料的激光烧结效率，质量轻、比表面积大的模拟月壤混合式3D打印一般需要采用水、添加剂、外用剂等多材料混合后搅拌均匀，并达到合适粘度后才能打印，制造效率较低，而模拟月壤材料激光烧结工艺直接采用单一模拟月壤烧结熔融，输送单一的原材料，激光熔融、凝固、成型，能够大幅度提高模拟月壤材料的激光烧结效率。

(5)适用于异形、宽粒径范围、多组分含量以及差传热性能等特征的月壤材料的轻质高效、高可靠和自主可控成型，实现在高真空、弱引力和大温度交变的月面极端环境下月壤材料快速、原位烧结成型和按需制造，极大地提高苛刻月面环境下的应急制造与维护能力。

(6)本发明区别于传统的铸、锻、焊等热加工“等材成形”技术及车、铣、磨等冷加工“减材成形”技术的一种全新的制造方法，采用同步送粉的方式，实现模拟月壤材料逐渐累加，从待打印样件的三维模型出发，无需模具，实现模拟月壤的直接成型；具有明显的快速熔凝特征，通过激光作为热源，实现模拟月壤逐层沉积和致密成型。

附图说明

图1本发明的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法，采用同步送粉的方式，以激光作为热源，实现逐层沉积成型。经过筛选的模拟月壤颗粒通过送粉装置传递到激光打印头，一定功率的激光加热基板表面的模拟月壤，按照预设轨迹逐层沉积以实现熔化和成型，完成模拟月壤材料的激光烧结成型。模拟月壤可以采用目前国内外市面上的已有产品。

步骤1：利用造型软件进行试验样件结构设计和切片。所述切片是对设计结构进行分层处理。运动轨迹方面采取的策略是优先设置对待打印试样最大外包络轮廓的激光烧结，间歇10-20秒后，再设置对内包络结构的激光烧结成型；

步骤2：选取100目和200目的筛子对模拟月壤材料进行筛选，选取粒径范围为75-150μm之间的模拟月壤材料通过负压载气式送粉装置后可控输出和传递。

步骤3：将筛选出的模拟月壤材料放入100-105℃烘箱烘1.5-2.5h。

步骤4：将烘干后的模拟月壤材料倒入送粉器粉盘中，打开电机开关，模拟月壤材料经过管道送入到TC4钛合金基板上。

步骤5：调试和对焦完成后，开始设置工艺参数，激光功率设置为600-700W，扫描速度设置为550-650mm/min，扫描间距为1.5-2.5mm，层厚为0.2-0.4mm，转速设置为0.8-1.2r/min，激光打印头的流量控制在20-40g/min。

步骤6：试验箱充入氩气置换，维持3-5mbar的正压环境，开启净化系统，维持氧气浓度50ppm以下。

步骤7：使用开始命令，模拟月壤材料输送到钛合金基板上。通过送粉器的转速控制激光打印头的流量，通过激光功率控制基板表面的模拟月壤的加热温度，进而实现模拟月壤连续、可控的激光烧结和熔融成型。

步骤8：待打印试样所有运动轨迹完成后，先采取自然冷却到接近室温时，再打开试验箱取出样件。

实施例

一种模拟月壤材料，选取100目和200目的筛子对模拟月壤材料进行筛选，选取粒径为75-150μm的模拟月壤，放入102℃烘箱烘2h，制备出适合激光烧结的模拟月壤材料体系。

一种模拟月壤激光烧结的成型方法，该方法所使用到的装置包括激光器2、送粉器1、试验箱3、基板5、工作台4、激光打印头7等，如图1所示；激光器2通过光纤9与放置在试验箱内的激光打印头7连接。

设置合适的激光烧结工艺参数，其中激光功率设置为650W，扫描速度设置为600mm/min，扫描间距为2mm，层厚为0.3mm，转速设置为1r/min，激光打印头的流量控制在30g/min。

该方法的步骤为：模拟月壤材料8通过机械振动输送到钛合金基板上。通过送粉器的转速控制激光打印头的流量，通过激光功率控制基板表面的模拟月壤的加热温度(图中6为熔池)，并采取自然冷却的方式，进而实现模拟月壤按照预设轨迹的连续、可控的激光烧结和成型。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种适用于模拟月壤激光烧结成型方法，其特征在于通过下述方式实现：

选取100目和200目的筛子对模拟月壤材料进行筛选，分离出粒径范围为75-150μm之间的模拟月壤材料，将筛选后的模拟月壤材料干燥处理；

调试激光器并将激光器对焦基板；设置工艺参数：激光功率设置为600-700W，扫描速度设置为550-650mm/min，扫描间距为1.5-2.5mm，层厚为0.2-0.4mm，转速设置为0.8-1.2r/min；

将试验箱维持正压环境并净化；

将干燥处理后的模拟月壤材料输入到所述的基板上，同时开启激光器按照上述工艺参数按照预设轨迹逐层沉积，实现模拟月壤的激光烧结熔融成型；所述预设轨迹为优先对待打印试样最大外包络轮廓进行激光烧结，间歇10-20秒后，对内包络结构进行激光烧结成型。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：试验箱充入氩气置换，维持3-5mbar的正压环境，开启净化系统，维持氧气浓度50ppm以下。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：干燥处理后的模拟月壤材料通过激光打印头输入到所述的基板上，激光打印头的流量范围20-40g/min。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：干燥处理为将模拟月壤材料放入100-105℃烘箱烘1.5-2.5h。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：模拟月壤激光烧结熔融成型后，在试验箱内采取自然冷却到室温后，再打开试验箱取出样件。

6.一种实现权利要求1-5之一所述的适用于模拟月壤激光烧结成型方法的装置，其特征在于：包括激光器、试验箱、送粉器、基板、工作台、激光打印头；

所述的送粉器选取负压载气式送粉器，将75-150μm粒径模拟月壤材料输送至试验箱内的激光打印头，通过送粉器的转速控制激光打印头的流量，将模拟月壤材料送至放置在工作台上的基板上；由激光器提供热源，对基板上的模拟月壤材料进行烧结成型。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于激光器通过光纤与放置在试验箱内的激光打印头连接。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的基板选用TC4钛合金材料。

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