CN112643845A - 基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其包括：静电采集输运送粉组件、聚光熔融组件和3D打印控制平台；静电采集输运送粉组件基于电场，对月壤颗依次进行筛分采集、操控输运和喷射送粉；聚光熔融组件通过汇聚的光源将送粉颗粒进行烧结熔融成型；3D打印控制平台根据三维实体构建的图像进行移动，以使静电采集输运送粉组件的送粉位置和聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致。本发明在月面环境下实现月壤颗粒可控采集、输运和送粉功能，结合聚焦光源烧结熔融，在避免激光3D打印低效的太阳能‑电‑光‑热多级转换损耗的同时，可以实现能源的原位补给和循环使用，避免物质损耗，实现月壤颗粒的致密成型。

Description

基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置

技术领域

本发明涉及月壤3D打印技术领域，特别是涉及一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置。

背景技术

近年来，太空探索的热度、广度和深度都得到显著提升，重返月球、载人火星等极具挑战性的探索任务逐步实施，也迅速催生了地月经济圈、小行星采矿、月球开发及太空制造等新兴领域。原位资源利用(ISRU)技术能够降低探测任务的质量、造价、风险以及对地球物资、能源的补给依赖，是未来重大太空探索任务的使能技术。月壤3D打印技术是ISRU的重要组成部分和新兴前沿技术，也是月球基地建设和持久运行维护的关键技术手段，将为可承受、可持续的航天任务提供支撑，开拓人类太空探索活动新边疆。

月壤3D打印是指利用月壤材料的增材制造，不仅能够满足月球基地持久运营所需的关键部件需求，还能实现基本工具和可替换零部件的原位生产补给，是未来月球基地运行维护的关键支撑性技术。其中，月壤作为3D打印的重要原料，自身具有形状不规则(异形)、粒径分布范围宽以及颗粒带电特性，导致月壤颗粒输运过程可控性差，易出现颗粒团簇、粘壁以及堵塞输运通道等典型问题，并且月壤材料的多组分含量和高粘性特征，使得月壤3D打印过程易出现裂纹、气孔以及球化等成型工艺缺陷，导致月壤3D打印致密性较差。

月壤3D打印作为新兴前沿技术，近年来得到国内外学者的广泛关注并开展了尝试性研究工作，按照工艺流程，月壤3D打印主要包括月壤颗粒采集、输运、进样和熔融烧结四个环节。在月壤颗粒采集与输运方面，常用的方法包括电场、振动、气力和气体电离等多种方法，但由于月壤颗粒的异形、多粒径级配以及带电特征，导致机械振动、气力输运方法容易造成月壤颗粒团簇、粘壁以及堵塞输运通道等难题，无法实现月壤颗粒的精确输运和操控，此外，气力输运还面临气体工质损耗问题；在进样和熔融烧结方面，月壤3D打印按照热源不同，可以分为月壤激光3D打印、月壤太阳光3D打印以及月壤微波3D打印等，但上述工艺方法基本采用铺粉进样方式，受限于汇聚能量烧结月壤的高质量熔池，进而获得的模拟月壤成型件致密性较差，工艺参数还需深入摸索。

发明内容

基于上述原因，本发明实施例提供了一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，解决现有技术中的月壤3D打印装置运输的月壤颗粒困难，成型件致密性较差问题。

本实施例提供了一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，包括：静电采集输运送粉组件、聚光熔融组件和3D打印控制平台；

所述静电采集输运送粉组件用于基于电场，对月壤颗依次进行筛分采集、操控输运和喷射送粉；

所述聚光熔融组件用于通过汇聚的光源将送粉颗粒进行烧结熔融成型；

所述3D打印控制平台用于根据三维实体构建的图像进行移动，以使所述静电采集输运送粉组件的送粉位置和所述聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致。

可选的，所述静电采集输运送粉组件包括：静电采集部件、静电输运部件和静电送粉部件；

所述静电采集部件用于基于电场对月壤颗粒进行提取和初次筛分；

所述静电输运部件用于基于电场将采集颗粒进行定向输运；

所述静电送粉部件用于基于电场将输运的颗粒粉末喷射到目标位置。

可选的，所述静电采集部件包括：采集电网和预设个数的筛网；

所述采集电网包括至少两层镂空金属电网，且相邻所述镂空金属电网之间设有绝缘层；所述采集电网通过施加周期性反相电流形成电场，通过所述电场对月壤颗粒进行定向移动；

所述预设个数的筛网布置在所述采集电网的内部。

可选的，所述静电输运部件包括：多个导电圆环；

相邻的所述导电圆环之间布置绝缘层；

其中，相邻的所述导电圆环之间接电压后在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场，以使所述月壤颗粒进行定向输运。

可选的，相邻的所述导电圆环之间接相位差为π/2的方波电流，以使所述导电圆环在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场。

可选的，每个所述导电圆环均采用金属铜环结构。

可选的，所述静电送粉部件包括：储粉喷罐、电喷射装置和喷嘴；

储粉喷罐的内部设置电网，通过电网产生的电场使所述月壤颗粒运动；

电喷射装置的内部设置电网和转向电极，通过电网产生的电场和所述转向电极使所述储粉喷罐的所述月壤颗粒定向运动，经喷嘴喷射至所述目标位置。

可选的，所述聚光熔融组件包括：汇聚光源系统和用于安装所述汇聚光源系统的安装支架；

所述汇聚光源系统用于汇聚太阳能，并通过汇聚的太阳能将送粉颗粒进行烧结熔融成型。

可选的，所述汇聚光源系统采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统，或采用菲涅尔聚光系统。

可选的，所述3D打印控制平台包括：3D打印台面和三维运动控制台架；

所述三维运动控制台架用于根据三维实体构建的图像控制所述3D打印台面移动，以使所述静电采集输运送粉组件的送粉位置和所述聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致。

本发明的有益效果

本实施例的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置主要包括：静电采集输运送粉组件、聚光熔融组件和3D打印控制平台；静电采集输运送粉组件基于电场，对月壤颗依次进行筛分采集、操控输运和喷射送粉，实现月壤颗粒可控采集、输运和送粉功能；聚光熔融组件用于将送粉颗粒进行烧结熔融成型，在避免激光3D打印低效的太阳能-电-光-热多级转换损耗的同时，可以实现能源的原位补给和循环使用，避免物质损耗；3D打印控制平台用于根据三维实体构建的图像进行移动，以使所述静电采集输运送粉组件的送粉位置和所述聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致，实现了月面环境下月壤颗粒致密3D打印成型。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的静电采集部件的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的静电输运部件的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的静电送粉部件的结构示意图。

具体实施方式

本领域技术人员应当知晓，本申请附图所示具体结构、尺寸、比例系用于说明本发明的实施方式，并非对本发明的权利要求范围的限定，权利要求的范围应以权利要求书为准。

下面，结合附图，对本发明的实施方式进行说明。

参见图1，为本实施例提供的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置的一种结构示意图，下面结合图1，对基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置的结构进行说明。

本发明的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置主要包括：静电采集输运送粉组件A、聚光熔融组件B和3D打印控制平台C。

具体的，静电采集输运送粉组件A基于电场，对月壤颗依次进行筛分采集、操控输运和喷射送粉；聚光熔融组件B通过汇聚的光源将送粉颗粒进行烧结熔融成型；3D打印控制平台C根据三维实体构建的图像进行移动，以使所述静电采集输运送粉组件A的送粉位置和所述聚光熔融组件B的聚焦光斑位置一致。

结合月壤颗粒特征和月面环境特点，选取合理可行的月壤颗粒3D打印技术路线和进样成型方法是开展月壤3D打印研究的前提和基础。因此，本实施例采用静电方法实现月壤颗粒的粒度筛分和可控输运，主要是针对月壤颗粒异形、宽粒径范围、带电等特征，基于静电采集输运送粉-聚光熔融的月壤3D打印系统，具备系统自主运行和月壤致密化成型能力，为储能块原位制造提供技术支撑。

上述利用静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，基于保守静电力驱动的月壤颗粒采集、输运和送粉相结合的月壤材料进样方法，同步匹配太阳能聚光技术，实现月壤材料原位3D致密打印成型，可作为未来月壤基地建设和持久运营维护的重要手段，可以推广应用于未来月壤基地建造和持久运行维护、月面高价值零部件原位制造等多个场景区域；同时还有望推广应用于未来地外天体原位制造等深空探测领域；此外，本专实施例涉及的静电采样方法有望推广应用于未来地外天体原位探测等领域，用于未来火星和其它小行星星壤原位制造，在地外天体原位资源利用领域发挥重要作用；同时也可用作地面无规则粉体颗粒的细化筛分、精确送粉及3D打印，在粉体颗粒致密化成型方面发挥重要作用。

在一个实施例中，所述静电采集输运送粉组件A可以包括：静电采集部件、静电输运部件和静电送粉部件；

其中，静电采集部件基于电场对月壤颗粒进行提取和初次筛分；静电输运部件基于电场将采集颗粒进行定向输运；静电送粉部件基于电场将输运的颗粒粉末喷射到目标位置。

可选的，参见图2，本实施例的静电采集部件可以包括：采集电网和预设个数的筛网。采集电网包括至少两层镂空金属电网，且相邻所述镂空金属电网之间设有绝缘层；所述采集电网通过施加周期性反相电流形成电场，通过所述电场对月壤颗粒进行定向移动；预设个数的筛网布置在所述采集电网的内部。

可选的，参见图3，本实施例的静电输运部件包括：多个导电圆环；相邻的所述导电圆环之间布置绝缘层。其中，相邻的导电圆环之间接电压后在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场，以使月壤颗粒进行定向输运。

可选的，相邻的所述导电圆环之间接相位差为π/2的方波电流，以使所述导电圆环在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场。

可选的，每个导电圆环均采用金属铜环结构。

可选的，参见图4，本实施例的静电送粉部件可以包括：储粉喷罐、电喷射装置和喷嘴；储粉喷罐的内部设置电网，通过电网产生的电场使所述月壤颗粒运动；电喷射装置的内部设置电网和转向电极，通过电网产生的电场和转向电极使所述储粉喷罐的所述月壤颗粒定向运动，经喷嘴喷射至目标位置。

本实施例的月壤颗粒静电采集输运送粉组件A，通过在管道壁面交替布置由不同导电圆环形成的线圈，通过输入周期相同、相位不同的方波电流，施加周期变化电场，可实现颗粒的筛分采集、操控输运和喷射送粉。具体的，静电采集部件负责完成月壤颗粒的提取和初次筛分，包括采集电网和筛网，采集电网可以由两层绝缘间隔的镂空金属电网组成，两金属电网之间做好电绝缘层。采集电网通过施加一定工作电压(周期性反相电流)，形成强电场，实现月壤颗粒的定向移动；筛网布置在采集电网内部，通过筛网目数设计，可以满足一定粒径大小的月壤颗粒初次筛分采集。

静电输运部件主要借助电磁输运圆环完成采集颗粒的定向可控输运，包括导电圆环和绝缘层；导电圆环采用金属铜环结构，相邻导电圆环之间布置绝缘层。在电磁输运圆环中相邻的两个导电圆环之间接相位差π/2的高压方波，在电磁输运管内形成的沿着轴向的交变电场，推动月壤颗粒的定向输运。

静电送粉部件采用静电喷涂原理设计而成，主要是将输运获得颗粒粉末通过喷嘴喷射到目标位置。静电送粉部件主要由储粉喷罐、电喷射装置和喷嘴组成，送粉。本实施例考虑到月面真空环境，送粉装置采用单一电场作用进行加速送粉，避免了引入高压空气作为动力气体。储粉喷罐内布置加速电网，通过施加电场力，实现颗粒高速运动；电喷射装置内同时布置转向电极和加速电网，实现储粉喷罐内输运颗粒的定向加速运动，经喷嘴高速喷射至聚焦光斑处。

在一个实施例中，聚光熔融组件B可以包括：汇聚光源系统和用于安装所述汇聚光源系统的安装支架；汇聚光源系统用于汇聚太阳能，并通过汇聚的太阳能将送粉颗粒进行烧结熔融成型。

可选的，本实施例的汇聚光源系统可以采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统，也可以采用菲涅尔聚光系统。

具体的，聚光熔融组件B主要完成送粉颗粒的烧结熔融成型。其中，汇聚光源主要通过引入高效聚光系统，实现太阳能的高效汇聚，以提升汇聚光斑的功率密度。

在一个实施例中，3D打印控制平台C可以包括：3D打印台面和三维运动控制台架；三维运动控制台架用于根据三维实体构建的图像控制所述3D打印台面移动，以使所述静电采集输运送粉组件A的送粉位置和所述聚光熔融组件B的聚焦光斑位置一致。

上述3D打印控制平台C，根据三维实体构建图像，控制移动平台有序移动(静电送粉部件和聚光熔融部件的同步、同位控制，实现月壤颗粒送粉位置和聚焦光斑位置的一致性)，实现逐点逐层堆积成形，最终打印成所需形状。

本实施例的月壤3D打印装置具有在月面环境下月壤颗粒可控采集、输运和送粉的功能，结合聚焦光源烧结熔融，可以实现月面环境下月壤颗粒致密3D打印成型；其中，月壤颗粒采集、输运和送粉统一采用静电保守力，聚光熔融采用太阳光源，在避免激光3D打印低效的太阳能-电-光-热多级转换损耗的同时，可以实现能源的原位补给和循环使用，避免物质损耗，实现真正意义上的资源无地球部件需求。

示例性的，结合图1，对本实施例基于静电采集输运送粉-聚光熔融的月壤3D打印装置的工作流程进行描述，如下：

首先，月壤颗粒采集。通过对静电采集部件的采样电网施加电场力，对月壤表层颗粒进行采集，并通过布置在电网前端的筛网实现采集颗粒初次筛分(粒径<1mm)，避免引入大颗粒月壤。

其次，月壤颗粒输运。采集颗粒以一定初速度进入静电输运部件内，静电输运部件通过内部导电圆环(导线环)间隔布置和施加电场相位控制，实现初采颗粒在电磁输运圆环内定向移动输运。

然后，月壤颗粒送粉。输运颗粒进入静电送粉部件的储粉喷罐，经储粉喷罐内的加速电网形成的高压电场继续增加输运颗粒的速度，进入电喷射装置；由电喷射装置内的转向电极和加速电网共同作用，加速颗粒以定轨迹由喷嘴均匀喷出至聚焦光斑处。

最后，聚光熔融打印。3D打印控制平台C实现静电送粉部件(喷嘴)和聚光熔融组件B(汇聚光源)同步精确控制，使喷出颗粒进入汇聚光源辐照光斑处；汇聚光源通过3D打印控制平台C成型工艺参数，实现进样月壤颗粒的逐层致密成型，完成月壤原位3D致密打印。

上述装置的原理简单可靠，结构设计实用高效，原位自主性和可操作性强，无瓶颈性技术，在月球基地建造、高价值零部件月面原位制造以及月面基础设施持久运行维护、地外天体原位资源开发利用等领域具有较好应用前景。

上述基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，利用保守静电力实现月壤颗粒采集、输运和送粉，实现月壤颗粒可控采集、输运和送粉功能；利用汇聚太阳光实现喷射送粉颗粒的逐层堆积熔融沉积，在避免激光3D打印低效的太阳能-电-光-热多级转换损耗的同时，可以实现能源的原位补给和循环使用，避免物质损耗，解决了异形、多粒径级配和多组分含量月壤材料颗粒的铺粉、送粉难题和月面环境物资能源补给问题；3D打印控制平台C用于根据三维实体构建的图像进行移动，以使所述静电采集输运送粉组件A的送粉位置和所述聚光熔融组件B的聚焦光斑位置一致，实现了月面环境下月壤颗粒致密3D打印成型。

此外，本发明的特征和益处通过参考示例性实施例进行说明。相应地，本发明明确地不应局限于这些说明一些可能的非限制性特征的组合的示例性的实施例，这些特征可单独或者以特征的其它组合的形式存在。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的公开后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，包括：静电采集输运送粉组件、聚光熔融组件和3D打印控制平台；

所述静电采集输运送粉组件用于基于电场，对月壤颗依次进行筛分采集、操控输运和喷射送粉；

所述聚光熔融组件用于通过汇聚的光源将送粉颗粒进行烧结熔融成型；

所述3D打印控制平台用于根据三维实体构建的图像进行移动，以使所述静电采集输运送粉组件的送粉位置和所述聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致。

2.根据权利要求1所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述静电采集输运送粉组件包括：静电采集部件、静电输运部件和静电送粉部件；

所述静电采集部件用于基于电场对月壤颗粒进行提取和初次筛分；

所述静电输运部件用于基于电场将采集颗粒进行定向输运；

所述静电送粉部件用于基于电场将输运的颗粒粉末喷射到目标位置。

3.根据权利要求2所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述静电采集部件包括：采集电网和预设个数的筛网；

所述采集电网包括至少两层镂空金属电网，且相邻所述镂空金属电网之间设有绝缘层；所述采集电网通过施加周期性反相电流形成电场，通过所述电场对月壤颗粒进行定向移动；

所述预设个数的筛网布置在所述采集电网的内部。

4.根据权利要求2所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述静电输运部件包括：多个导电圆环；

相邻的所述导电圆环之间布置绝缘层；

其中，相邻的所述导电圆环之间接电压后在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场，以使所述月壤颗粒进行定向输运。

5.根据权利要求4所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，相邻的所述导电圆环之间接相位差为π/2的方波电流，以使所述导电圆环在电磁输运管内形成沿轴向的交变电场。

6.根据权利要求4所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，每个所述导电圆环均采用金属铜环结构。

7.根据权利要求2所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述静电送粉部件包括：储粉喷罐、电喷射装置和喷嘴；

储粉喷罐的内部设置电网，通过电网产生的电场使所述月壤颗粒运动；

电喷射装置的内部设置电网和转向电极，通过电网产生的电场和所述转向电极使所述储粉喷罐的所述月壤颗粒定向运动，经喷嘴喷射至所述目标位置。

8.根据权利要求1所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述聚光熔融组件包括：汇聚光源系统和用于安装所述汇聚光源系统的安装支架；

所述汇聚光源系统用于汇聚太阳能，并通过汇聚的太阳能将送粉颗粒进行烧结熔融成型。

9.根据权利要求8所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述汇聚光源系统采用反射式和透射式相结合的双级聚光系统，或采用菲涅尔聚光系统。

10.根据权利要求1所述的基于静电采集输运送粉聚光熔融的月壤3D打印装置，其特征在于，所述3D打印控制平台包括：3D打印台面和三维运动控制台架；

所述三维运动控制台架用于根据三维实体构建的图像控制所述3D打印台面移动，以使所述静电采集输运送粉组件的送粉位置和所述聚光熔融组件的聚焦光斑位置一致。

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