CN113352602A - 一种多功能一体化增材制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能一体化增材制造装置，包括：机座、安装于所述机座的供料模块、打印执行模块及热控模块；所述供料模块包括至少两个丝材原料供应源，分别对应金属和纤维增强复合非金属材料；所述打印执行模块包括分别与各丝材原料供应源相连的打印供料头及一个高能束热源装置，各所述打印供料头围绕安装在所述高能束热源装置周围；所述热控模块设于所述打印执行模块四周，用于在打印时进行温度控制。该装置不仅可以应用于地面的金属和纤维增强复合非金属零部件的增材制造，而且可以在轨实现以纤维增强复合材料为主体的大型桁架结构的连续制造。

Description

一种多功能一体化增材制造装置
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种多功能一体化增材制造装置。
背景技术
深空探测是当前和未来航天领域的重点发展方向。目前，除空间站之外，所有航天器均是在地面完成制造和试验验证后，通过运载火箭送入轨道。由于运载火箭外包络体积限制、结构承载冲击强度约束等原因，传统的“地面制造、在轨展开”方式严重制约了航天器载荷的尺寸，极大地限制了航天器性能提升。
空间大型桁架结构广泛应用于大型天线、在轨探测长基线和大型支撑结构等，其在设计及使用时需满足高刚度、大尺寸、轻量化等典型功能需求，通常采用纤维增强复合材料制造而成。目前大型桁架结构在地面制造时主要在结构设计和尺寸两方面受到制约。一方面，受限于整流罩的尺寸，桁架必须采用折叠收拢展开等形式，尺度越大，对于铰链、关节等展开机构的复杂程度和可靠程度要求越高。另一方面，桁架在发射过程中必须承受较大的比重冲击和振动，结构整体重量和设计的优化范围非常有限。
同时，金属材料具有优异的导电、传热、耐久、耐热性等特点，是通信、侦察、遥感等大型卫星平台关键载荷天线的组成部分。空间大型有效载荷需实现特定电、磁等信号的发射、接受、传输等功能，通常采用金属材料制成。另外，金属材料可制造成具有高面型精度的部件，力学性能方面具有各向同性，可用于安装载荷的连接件等。
综合以上航天器任务需求分析，面向大型空间结构的太空制造需同时突破金属材料、纤维增强复合非金属材料的太空增材制造技术。因此，针对空间大型桁架结构在轨制造及大型载荷在轨装配需求，提出以实现“多功能一体化增材制造”的增材制造装置，具有重要空间应用前景。
发明内容
本发明的目的就是提供一种多功能一体化增材制造装置，该装置不仅可以应用于地面的金属和非金属零部件的增材制造，而且可以在轨实现以纤维增强复合材料为主体的大型零部件或大型桁架结构的连续制造。
本发明是通过以下技术方案实现的，一种多功能一体化增材制造装置，包括：机座、安装于所述机座的供料模块、打印执行模块及热控模块；
所述供料模块包括至少两个丝材原料供应源，分别对应金属和纤维增强非金属材料；
所述打印执行模块包括分别与各丝材原料供应源相连的打印供料头及一个高能束热源装置，各所述打印供料头围绕安装在所述高能束热源装置周围；
所述热控模块设于所述打印执行模块四周，用于在打印时进行温度控制。
进一步，所述高能束热源装置的端部为锥形结构，各所述打印供料头与所述锥形结构的锥面外侧活动连接，可沿所述锥形结构的母线方向自由移动。
进一步，所述供料模块包括三个原料供应源，分别为合金金属丝材、纤维增强复合材料丝材及热塑性聚合物丝材。
进一步，所述机座包括横梁及两个相对的立板，两所述立板的内侧设有相对的第一直线滑道，所述第一直线滑道与水平面呈预设夹角，所述横梁的两端与所述第一直线滑道活动连接，可沿所述第一直线滑道上下移动。
进一步，所述打印执行模块及所述横梁之间设有运动连接件，所述打印执行模块通过所述运动连接件与所述横梁活动连接，所述打印执行模块可沿所述横梁的长度方向自由移动，并且可绕所述横梁转动。
进一步，所述运动连接件包括第一滑座、第二滑座、第三滑座及连杆；
所述打印执行模块与所述第一滑座活动连接，可沿所述第一滑座在垂直于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面的方向上移动；
所述第一滑座与所述第二滑座的靠近打印端头的一端铰接，所述连杆一端与所述第一滑座与所述第二滑座中的一者铰接，另一端与另一者活动连接；
所述第二滑座与所述第三滑座活动连接，可沿所述第三滑座在垂直于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面的方向上移动；
所述第三滑座与所述横梁活动连接，可沿所述横梁轴线方向移动。
进一步，所述增材制造装置还包括基板，所述基板设于两所述立板之间并与所述机座活动连接并在水平面内同时垂直于所述横梁轴线方向上自由移动；
所述基板所在平面平行于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面。
进一步，所述机座的底部设有第二直线滑道及活动连接于所述第二直线滑道内的连接支撑件，所述基板与所述连接支撑件可分离式连接。
进一步，两所述立板内侧的底部及侧面均设有依次排列的辊轮，位于底部的辊轮轴线方向为平行于所述横梁的方向，位于侧面的辊轮的轴线为竖直方向，并且位于侧面的辊轮与所述立板的间距可调。
进一步，所述增材制造装置还包括机械臂及过渡件，所述机械臂及所述过渡件均设于所述机座上，所述机械臂用于夹取所述过渡件并放于预设打印位置。
本发明所提供的一种多功能一体化增材制造装置，利用增材制造技术，可以实现金属、纤维增强复合材料等多种材料的增材制造；同时，面向大型天线等航天器的应用需求，还可以突破运载火箭对其载荷在体积、尺寸等方面的严苛限制，在轨增材制造纤维增强复材桁架结构及用于安装载荷的金属连接件等。
通过本发明所提供的一种多功能一体化增材制造装置，可以实现金属、纤维增强复合材料等多种材料的增材制造；同时，面向大型天线等航天器的应用需求，通过在轨增材制造技术制造纤维增强复合材料桁架结构及用于安装载荷的金属连接件，从而突破运载火箭包络尺寸及发射过程严苛力学环境限制，在轨实现“小设备”制造“大结构”，还可简化航天器结构和强度设计，大幅提高航天器的性能。
附图说明
图1为本发明所提供的一种多功能一体化增材制造装置的具体实施例的立体结构示意图；
图2为图1所示具体实施例的另一个角度的立体结构示意图；
图3为带基板的一种多功能一体化增材制造装置的具体实施例的立体结构示意图；
图4为打印执行模块的一种工作状态下的立体结构示意图；
图5为图3所示具体实施例的另一个角度的结构示意图；
图6为图1所示具体实施例的局部放大结构示意图；
图7为打印执行模块的一种工作状态下的局部放大立体结构示意图。。
其中，图中的件号表示为：
1、机座，2、供料模块，3、打印执行模块，4、运动连接件，5、基板，6、机械臂，7、过渡件，11、横梁，12、立板，13、第二直线滑道，14、连接支撑件，15、辊轮，121、第一直线滑道，31、打印供料头，32、高能束热源装置，41、第一滑座，42、第二滑座，43、第三滑座，44、连杆。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理、特征及有益技术效果进行描述，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1至图7，为本发明提供的一种多功能一体化增材制造装置的具体实施例，包括：机座1、安装于所述机座1的供料模块2、打印执行模块3及热控模块(图中未标记)；所述供料模块2包括至少两个丝材原料供应源，分别对应金属和非金属材料。所述打印执行模块3包括分别与各丝材原料供应源相连的打印供料头31及一个高能束热源装置32，各所述打印供料头31围绕安装在所述高能束热源装置32周围。所述打印供料头31具有预热挤出功能，对金属丝可以起预热作用，同时对非金属丝可实现挤出打印功能；所述高能束热源装置32可以为激光、电子束等方式提供热源。
一种优选的实施方式中，供料模块2包括三个丝材原料供应源，分别为Al合金等金属丝材、纤维增强复合材料等非金属丝材及流动性较好的热塑性树脂等非金属丝材。所述热控模块可以通过石蜡等相变材料、热管等方法对整体装置及打印执行模块3进行温控控制，分布在设备打印执行模块3的四周。在切换不同材质的打印丝材原料时，可以通过该热控模块调节高能束热源装置32的温度，以适应丝材的熔融状态。
如图6所示，所述高能束热源装置32的端部为锥形结构，各所述打印供料头31与所述锥形结构的锥面外侧活动连接，可沿所述锥形结构的母线方向自由移动。这种结构下，可以通过控制不同的打印供料头31的动作，自由切换丝材的供应，以便实现不同材质的融合打印。
对于纤维增强复材采用倾斜式熔融挤出的打印方式，即打印X、Y轴平面与沉积方向Z轴呈一定夹角，通过滚轴传动装置实现无限Z轴功能，完成大型桁架结构的连续打印：所述机座1包括横梁11及两个相对的立板12，两所述立板12的内侧设有相对的第一直线滑道121，所述第一直线滑道121与水平面呈预设夹角，该夹角可以为30度至70度之间，优选45度至60度。
所述横梁11的两端与所述滑道活动连接，可沿所述滑道上下移动。
所述打印执行模块3通过运动连接件4与所述横梁11活动连接；可沿所述横梁11的长度延伸方向自由移动，并且可绕所述横梁11转动。
具体来说，如图7所示，所述运动连接件4包括第一滑座41、第二滑座42、第三滑座43及连杆44；所述打印执行模块3与所述第一滑座41活动连接，可沿所述第一滑座41在垂直于所述第一直线滑道121及所述横梁11的轴线所在的平面的方向上移动；所述第一滑座41与所述第二滑座42的靠近打印端头的一端铰接，所述连杆44一端与所述第一滑座41与所述第二滑座42中的一者铰接，另一端与另一者活动连接；所述第二滑座42与所述第三滑座43活动连接，可沿所述第三滑座43在垂直于所述第一直线滑道121及所述横梁11的轴线所在的平面的方向上移动；所述第三滑座43与所述横梁11活动连接，可沿所述横梁11轴线方向移动。
可带动打印执行模块3内可设置传动装置，比如丝杆螺母，通过与第一滑座41之间的传动，可以控制打印执行模块3沿垂直于基板5的方向前后移动。第一滑座41和第二滑座42均可设计为板型，并且第一滑座41与第二滑座42的靠近打印端头的一端铰接，再通过设于第一滑座41及第二滑座42之间设置的连杆44(本实施例中连杆44一端与第一滑座41铰接，另一端滑动连接于第二滑座42上)，通过驱动连杆44，使其沿第二滑座42滑移，这样即可实现第一滑座41的翻转，进而带动打印执行模块3绕横梁所在的轴线翻转，实现打印方向的改变，并且翻转后打印执行模块3仍可以沿第一滑座41移动，可以实现上下方向的打印动作，以满足打印需求。为了实现翻转后的打印执行模块3的前后移动，第二滑座42与第三滑座43之间仍为滑动连接，也可以通过丝杆螺母传动的方式实现两者之间的动作。第三滑座43与横梁11之间也是滑动连接，这样可以使得第三滑座43可沿横梁的延伸方向左右移动，进而带动打印执行模块左右移动。总体来说，以横梁11所在的直线为X轴，第一直线滑道121所在的直线为Y轴，垂直于X轴、Y轴所形成的平面的方向为Z轴(因基板5所在的平面平行于X-Y平面，垂直于基板5的方向也为Z轴)，通过上述结构的组合，可以实现打印执行模块3分别沿X向、Y向、Z向的直线自由度，以及绕X轴旋转的自由度，可以满足多种方向的打印需求。
上述结构中，通过控制各运动部件的运动状态，可以实现打印执行模块3的各种动作，以实现增材制造过程。
所述增材制造装置还包括基板5，所述基板5设于两所述立板12之间并与所述机座1活动连接并在水平面内同时垂直于所述横梁11轴线方向上自由移动；所述基板5所在平面平行于所述第一直线滑道121及所述横梁11的轴线所在的平面。
所述机座1的底部设有第二直线滑道13及活动连接于所述第二直线滑道13内的连接支撑件14，所述基板5与所述连接支撑件14可分离式连接。连接支撑件14可以为一端与基座通过驱动装置驱动连接，另一端设置卡口，与基板5底部卡接，打印时，基板5可以在连接支撑件14的驱动下，边打印边沿水平方向移动，进而可以实现大型结构件的增材制造。
两所述立板12内侧的底部及侧面均设有依次排列的辊轮15，位于底部的辊轮15轴线方向为平行于所述横梁11的方向，位于侧面的辊轮15的轴线为竖直方向，并且位于侧面的辊轮15与所述立板12的间距可调。当打印大型结构件时，通过辊轮15，可以对已打印的部分形成支撑且驱动。通过调节侧面的辊轮15与所述立板12的间距，可以调节位于两个侧面的辊轮15之间的距离，进而适应多种尺寸的零部件。
上述的依次排列的滚轮15，可以为一套设于底部的滚轴机构，以此可以实现无限Z轴功能，也即通过多个滚轴机构将所打印的桁架结构等制件传送出去，可突破打印机包络尺寸对打印尺寸的限制，进而可实现大型桁架结构或其它大型制件的连续制造。
为避免金属、纤维增强复合材料一体化打印时高温金属熔体对熔点较低的纤维增强复合材料造成的热影响，本发明所提供的增材制造装置还包括机械臂6及过渡件7，所述机械臂6及所述过渡件7均设于所述机座1上，所述机械臂6用于夹取所述过渡件7并放于预设打印位置。该过渡件一般为金属或合金金属，设置过渡件7，通过“金属材料”成形“金属过渡件”上，可以实现金属、纤维增强复合材料的一体化打印。
以打印桁架结构为例，打印时，为了实现金属材料与纤维增强复合材料非金属材料之间的结合，可以在打印非金属材料时，预留一个圆形凹坑，这时可以通过机械臂6将事先准备好的与上述圆形凹坑相适配(一般为过盈配合)的过渡件7逐一夹取后放入凹坑中，然后进行金属材料的增材制造，即可实现金属和非金属材料的融合。当然，在打印路径设计时需明确“金属成形于金属、非金属成形于非金属、金属与非金属结构耦合”的总体原则。
显然，本发明提供的多功能一体化增材制造装置，还包括控制模块，该控制模块可安装于机座1上，通过控制模块，可以进行打印路径及策略的规划，供料头的选择、驱动及定位，同时，可控制所有的运动部件的动作以及控制激光热源的温度、功率、启停等。
本发明提供的多功能一体化增材制造装置，采用一个激光或电子束热源加热，金属材料、纤维材料增强复材、流动性好的树脂材料(金属、非金属一体化成形过程中由于打印盲区造成的界面间隙中的填充材料)3个供料头分别供料，根据要打印的结构件特点，设计打印路径及策略，通过控制模块进行各种动作的控制操作即可。
总体来说，本多功能一体化增材制造装置由激光热源、控制模块、打印执行模块3模块、3组原料供料模块、机械臂6、基板5几部分组成，其中打印执行模块3通过运动连接件4的动作，可以有X、Y、Z三个方向(横梁11为X向，第一直线滑道121为Y向，垂直于基板5方向为Z向)的直线运动自由度，且以X轴为旋转轴具有旋转自由度，高能束热源装置32通过连杆44的驱动实现旋转进而改变打印方向。3个打印供料头31以120°夹角均布在高能束热源装置32的圆周位置，且根据打印需要分别可以移动到热源中心位置，实现材料的层间结合。
打印时采用熔融堆积成型方法，3组丝材供料模块使用丝状原料，根据打印策略，控制模块通过指令驱动打印执行模块，将供料头定位于供料位置，利用激光、电子束等高能束加热方式将金属丝材加热至略高于融化温度打印金属丝材，利用电阻加热方式将纤维增强复合材料加热至打印温度并挤压成形，在控制模块的控制下，打印执行模块按打印路径程序，在一定夹角的打印成型基板表面作x-y平面运动，将熔融的材料涂覆在工作台上，冷却后成型。
通过本发明所提供的多功能一体化增材制造装置，可以实现同一个零件的制造中，融合多种材质，进而提升零部件的性能。尤其对于空间大型天线结构中的桁架结构来说，其主体通常由纤维增强复材桁架结构和金属连接件构成，采用这样的结构可有效减轻结构的质量并提高卫星的承载能力。。通过本发明的上述技术方案，可以根据大型桁架结构和金属连接件中的多材料打印功能，杆件可使用纤维复合材料制造，金属连接件作为载荷安装面，其型面精度要求较高，可以采用Al合金等材料制造。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，包括：机座、安装于所述机座的供料模块、打印执行模块及热控模块；
所述供料模块包括至少两个丝材原料供应源，分别对应金属和非金属材料；
所述打印执行模块包括分别与各丝材原料供应源相连的打印供料头及一个高能束热源装置，各所述打印供料头围绕安装在所述高能束热源装置周围；
所述热控模块设于所述打印执行模块四周，用于在打印时进行温度控制。
2.根据权利要求1所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述高能束热源装置的端部为锥形结构，各所述打印供料头与所述锥形结构的锥面外侧活动连接，可沿所述锥形结构的母线方向自由移动。
3.根据权利要求1所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述供料模块包括三个原料供应源，分别为金属丝材、纤维增强复合材料丝材及热塑性树脂丝材。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述机座包括横梁及两个相对的立板，两所述立板的内侧设有相对的第一直线滑道，所述第一直线滑道与水平面呈预设夹角，所述横梁的两端与所述第一直线滑道活动连接，可沿所述第一直线滑道上下移动。
5.根据权利要求4所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述打印执行模块及所述横梁之间设有运动连接件，所述打印执行模块通过所述运动连接件与所述横梁活动连接，所述打印执行模块可沿所述横梁的长度方向自由移动，并且可绕所述横梁转动。
6.根据权利要5所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述运动连接件包括第一滑座、第二滑座、第三滑座及连杆；
所述打印执行模块与所述第一滑座活动连接，可沿所述第一滑座在垂直于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面的方向上移动；
所述第一滑座与所述第二滑座的靠近打印端头的一端铰接，所述连杆一端与所述第一滑座与所述第二滑座中的一者铰接，另一端与另一者活动连接；
所述第二滑座与所述第三滑座活动连接，可沿所述第三滑座在垂直于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面的方向上移动；
所述第三滑座与所述横梁活动连接，可沿所述横梁轴线方向移动。
7.根据权利要6所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括基板，所述基板设于两所述立板之间并与所述机座活动连接并在水平面内同时垂直于所述横梁轴线方向上自由移动；
所述基板所在平面平行于所述第一直线滑道及所述横梁的轴线所在的平面。
8.根据权利要7所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述机座的底部设有第二直线滑道及活动连接于所述第二直线滑道内的连接支撑件，所述基板与所述连接支撑件可分离式连接。
9.根据权利要7所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，两所述立板内侧的底部及侧面均设有依次排列的辊轮，位于底部的辊轮轴线方向为平行于所述横梁的方向，位于侧面的辊轮的轴线为竖直方向，并且位于侧面的辊轮与所述立板的间距可调。
10.根据权利要5至9任一项所述的一种多功能一体化增材制造装置，其特征在于，所述增材制造装置还包括机械臂及过渡件，所述机械臂及所述过渡件均设于所述机座上，所述机械臂用于夹取所述过渡件并放于预设打印位置。
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