CN114311220B - 一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法，属于外星基地建材制造技术领域，具体方案如下：一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，包括送料器、熔融器、挤出机构、退火炉、成形平台、三轴作动系统和聚光器，送料器与熔融器连通，聚光器位于熔融器的上方，挤出机构位于熔融器的下方并与熔融器的底部开口连通，退火炉位于挤出机构的下方，挤出机构的挤出嘴竖直设置在退火炉的上表面开口处，成形平台设置在退火炉内并位于挤出嘴的下方，成形平台与三轴作动系统连接，三轴作动系统位于退火炉的下方，本发明直接利用太阳能熔融星际壤粉料直线增材制造，能源资源就地取材、制品形式灵活多样，有效降低太空开发材料运输成本。

Description

一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法

技术领域

本发明属于外星基地建材制造技术领域，具体涉及一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法，特别适用于月壤、火星壤等星际壤基材料及同类高熔点硅酸盐粉体材料，可应用于外星基地建材制品原位建造与外星基础设施维护保养所需各类制品的原位增材制造。

背景技术

深空探索人员、装备中长期驻留和运营维护保养的需要，对建立星际中转站和获取相关制品提出要求。然而现阶段地月运输成本高昂，是深空探索和太空开发面临的瓶颈问题。

月壤和火壤为代表的外星壤是外星环境下最为丰富的天然资源，其主要成分为长石、辉石和橄榄石等硅酸盐相材料。国内外基于Appollo、嫦娥等月球、火星及小行星探测任务数据，已掌握了外星壤的基本理化性质，并围绕外星壤资源开展了原位资源利用技术研究。原位资源利用技术高度利用太空环境既有原位资源、能源，最大限度满足太空探索活动的可持续性需求，减少对地球资源的依赖，对于深空探索和太空开发活动具有重要意义。其中，外星壤原位增材制造技术是原位资源利用的重要技术手段，将为外星基地建造维护和探索装备原位修补提供关键技术支撑。

外星壤原位增材制造技术是利用月球、火星等地外天体表层风化层土壤作为原材料的增材制造技术，是原位资源利用理念和增材制造技术的有机结合。现有研究中，用于外星壤的增材制造方法主要有：混料挤出，三维印刷(3DP)，光固化，轮廓工艺，选区烧结等。上述方法主要存在成形过程需要粘接剂等不易原位制备的材料，原位能源、资源利率低，制造系统与制造工艺复杂等问题。相较于地球，月球和火星的引力小且大气极为稀薄，导致其表面大气压分别仅约为10^-11mba和7.5mbar，其表面的重力加速度分别仅约为地球表面重力加速度的六分之一和五分之二，而太阳辐射能量密度分别可高达1368W/m²和589W/m²，如在昼夜交替下月球表面最低和最高温度可分别高达-244℃和122℃，因此将导致外星开发活动处于严酷的高真空、低重力和高低温循环极端环境，对增材制造成形过程产生显著影响。因而，需要在现有增材制造技术的基础之上加以改进，最大限度避免外星极端环境的影响。

熔融沉积是指将熔融态原材料通过热熔喷头在指定位置上沉积凝固，堆叠成形的增材制造技术，常用于塑料、金属等线材，近年来也有用于玻璃粉体、块体的3-D打印的报道。熔融沉积增材制造方法主要包含熔融、挤出、沉积三个主要部分。在熔融部分可以直接利用太阳能熔融星际壤资源，最大限度利用原位资源，简化能源利用方式，高效可靠；针对星际壤材料料性短的特点，在挤出部分可通过具有闭环调控功能的辅助聚光加热组件精准控制熔体温度，针对外星低重力对挤出成形的影响，可通过机械辅助的方式保证熔体稳定连续的可控挤出；在沉积部分可以通过辅助加热退火的方式确保沉积熔体性态稳定和成形制品性能可靠，避免外星高低温循环环境对成形质量的影响，并可根据星际壤熔体相变动力学特性，对熔融沉积增材制造部品性质进行调控。

外星开发过程中，一方面面临着极端外星环境的严峻挑战，另一方面伴随着外星环境丰富的原位外星壤资源和太阳能资源。以直接利用太阳能熔融外星壤，并辅以合理挤出方式和有效控性手段的星际壤原位太阳能熔融沉积增材制造技术，一方面高度契合原位资源利用理念，并发挥熔融沉积个性化成形的特点为太空探索活动提供支撑，另一方面最大限度避免太空极端环境对增材制造过程的影响，有望成为高效原位利用和高成形质量的外星壤原位增材制造方法。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决现有技术中存在的外星基地的建造过程中，过度依赖地球资源的运输的问题，提供一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置。

本发明的第二个目的是提供一种利用星际基地建造用熔融沉积增材制造装置的方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，包括送料器、熔融器、挤出机构、退火炉、成形平台、三轴作动系统和聚光器，所述送料器与熔融器连通，所述聚光器位于熔融器的上方，所述挤出机构位于熔融器的下方并与熔融器的底部开口连通，所述退火炉位于挤出机构的下方，所述挤出机构的挤出嘴竖直设置在退火炉的顶部开口处，所述成形平台设置在退火炉内并位于挤出嘴的下方，所述成形平台与三轴作动系统连接，所述三轴作动系统位于退火炉的下方，所述三轴作动系统与退火炉均设置在机架上。

一种使用所述的装置原位利用太阳能实现星际壤资源熔融沉积增材制造的方法，以原位外星壤资源作为原材料，以太阳能为热源，采用送粉熔融的方式，将外星壤熔融形成熔体；通过挤出机构温度闭环控制保持熔体粘度处于100-150Pa·s的工作范围内；通过对沉积温度控制调控成形制品物相，保证成型质量；所述温度闭环控制的方法为根据检测温度传感器和参比温度传感器反馈的数据计算挤出机构辅助加热效率系数η，其计算方式如下：

其中，

n——反射聚光镜(32)聚光比；

α——挤出嘴(31)材料吸收率；

P——反射导向镜(33)反射太阳光能量密度，W/m²，与透光条带数量正相关；

ε——挤出嘴表面发射率；

σ——黑体辐射常数，5.67×10^-8W/(m·K⁴)；

T_i——检测温度传感器温度数值，K；

T₀——外星环境背景温度值，K；

辅助聚光加热组件根据辅助加热效率系数η、参比温度传感器温度数值T_n、设定温度T_m判断辅助加热状态，调整电致变透光率膜带透光条带的数量，进而调整辅助加热能量注入。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

本发明以星际壤为原材料，以直接太阳能作为热源，通过送料器，熔融器，挤出机构，退火炉和成形平台等组件，和熔融、挤出、沉积、退火等步骤，实现星际壤熔融沉积增材制造，解决了资源能源高度原位化的星际壤工程材料化的技术问题和外星壤直接太阳能熔融沉积增材制造材料熔融、熔体沉积、成形控制的技术问题，具有以下有益效果：

1、通过直接利用太阳能熔融星际壤粉料实现增材制造，能源资源就地取材、制品形式灵活多样，有效降低太空开发材料运输成本；

2、通过可调速二级送料，实现使用外星低重力环境直接太阳能加热外星壤粉料熔融输运，能源资源利用方式高效直接，极大简化能源系统复杂程度；

3、通过挤出机构闭环控制辅助聚光加热组件精准控制挤出嘴出口处熔体温度波动范围小于10℃，进而保持挤出沉积过程中熔体粘度始终处于合适范围，与螺杆挤出相配合，实现外星壤熔体低重力极端外星环境下的挤出沉积。

4、通过退火炉和成形平台，采用三维成形原位实时保温退火的方式，缓解外星环境高低温循环对熔融沉积过程的影响；通过原位退火工艺控制实现玻璃相、陶瓷相外星壤熔融沉积制品制备。

附图说明

图1为星际基地建造用熔融沉积增材制造装置示意图；

图2为熔融器、挤出机构结构示意图；

图3为变透光率反射导向镜实现方式示意图；

图4为挤出机构辅助聚光加热组件闭环自动控温实现方式示意图；

图5为退火炉与成形平台结构示意图；

图中，1、送料器，2、熔融器，3、挤出机构，4、退火炉，5、成形平台，6、三轴作动系统，7、聚光器，8、机架，9、支撑杆，11、传送带，12、储料仓，13、送料转轮，14、翅片，15、密封垫，16、送料管，21、阀门，22、熔融通道，31、挤出嘴，32、反射聚光镜，33、反射导向镜，34、电致变透光率膜带，35、检测温度传感器，36、参比温度传感器，37、辐射吸收涂层，38、挤出螺杆，41、取料门，42、发热元件，51、成形层，52、底板，61、X轴直线运动模组，62、Y轴直线运动模组，63、Z轴直线运动模组，64、隔热板。

具体实施方式

下面结合附图1-5和具体实施例对本发明做详细的介绍。

具体实施方式一

一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，包括送料器1、熔融器2、挤出机构3、退火炉4、成形平台5、三轴作动系统6和聚光器7，所述送料器1与熔融器2连通，所述聚光器7位于熔融器2的上方，所述聚光器7直接聚焦太阳光在熔融器2内形成高能光斑，用于加热送料器1输送的粉料形成熔池区域，所述熔融器2的炉体形状上部开口，底部内收；进料口位于熔融器2炉体侧壁靠近熔融器2炉体底部，送料器1将粉料直接输送入熔池区域。所述挤出机构3位于熔融器2的下方并与熔融器2的底部开口通过熔融通道22连通，所述熔融通道22上设置有阀门21，用于控制熔体流出，所述退火炉4位于挤出机构3的下方，所述挤出机构3包括挤出嘴31，所述挤出嘴31竖直设置在退火炉4的上表面开口处，所述挤出嘴31为内接圆柱腔体的六棱柱构型，上部开口，尾部楔形内收，挤出嘴31侧壁与熔融器2联通，挤出螺杆38位于挤出嘴31内部，由电机驱动挤出螺杆38转动，熔体通过挤出螺杆38在挤出嘴31内部转动挤出。所述成形平台5设置在退火炉4内并位于挤出嘴31的下方，所述成形平台5与三轴作动系统6连接，受三轴作动系统6的控制在水平面内和竖直方向上运动，所述三轴作动系统6位于退火炉4的下方，所述三轴作动系统6与退火炉4均设置在机架8上。所述退火炉4用于调控熔体沉积温度并与成形平台5配合实现熔体沉积。所述成形平台5用于为熔体沉积提供平台并通过三维作动实现星际壤粉料熔融沉积三维成形。

进一步的，所述挤出机构3还包括辅助聚光加热组件，所述辅助聚光加热组件包括反射聚光镜32和至少一个反射导向镜33，所有所述反射导向镜33的表面均设置一组电致变透光率膜带34，太阳光照射在反射导向镜33后，反射至反射聚光镜32，经反射聚光镜32反射至挤出嘴31的侧壁上，所述挤出嘴31的侧壁上设置有辐射吸收涂层37，反射聚光镜32以固定的聚光比加热挤出嘴31。

进一步的，所述挤出嘴31外侧壁四周和顶部均安装有检测温度传感器35，所述挤出嘴31的出口处安装有参比温度传感器36。优选的，所述检测温度传感器35有5个，分布在挤出嘴31的四周和顶部。检测温度传感器35用于监测挤出嘴31各侧壁能量收支情况，参比温度传感器36用于监测熔体工作状态，系统根据各传感器数据计算挤出机构3辅助加热效率系数η，

其中，

n——反射聚光镜聚光比；

α——挤出嘴材料吸收率；

P——反射导向镜反射太阳光能量密度，W/m²，与透光条带数量正相关；

ε——挤出嘴表面发射率；

σ——黑体辐射常数，5.67×10^-8W/(m·K⁴)；

T_i——检测温度传感器温度数值，K；

T₀——外星环境背景温度值，K。

辅助聚光加热组件根据辅助加热效率系数η、参比温度传感器温度数值T_n、设定温度值T_m判断辅助加热状态，调整透光条带数量，进而调整辅助加热能量注入。当T_n＜T_m时，增加透光条带总数；当η＜1，T_n＞T_m时，透光条带数量不变，当η＞1，T_n＞T_m时，减少透光条带总数。设定温度值T_m依据挤出嘴31熔体粘度处于100-150Pa·s时温度范围确定。

进一步的，所述送料器1包括传送带11和储料仓12，所述传送带11的出料端与储料仓12的进料口连接，所述传送带11将星际壤粉料输送至储料仓12，所述储料仓12的内壁底部转动连接有送料转轮13，所述送料转轮13与调速电机的输出轴连接，所述调速电机安装在储料仓12外侧壁上，所述送料转轮13的外表面均布固定设置有若干个与送料转轮13的中轴线相垂直的翅片14，所述储料仓12的内壁上与送料转轮13相对应的位置处设置有密封垫15；所述储料仓12的底部开口处通过送料管16与熔融器2连通。传送带11采用密封于方形管道内的斗式传送带形式，将外星壤粉料从传送带11底部输送至顶部储料仓12，起到一级送料的作用；送料转轮13通过可调速电机驱动转动将粉体通过送料管16以一定速率输送到熔融器2内热源焦斑处，实现送粉熔融，起到二级送料的作用。

进一步的，所述退火炉4的一个侧壁上设置有取料门41，所述取料门41上附带观察窗，用于观察熔融沉积状态和取出完成制备的制品。其余侧壁内嵌发热元件42，所述成形平台5通过支撑杆9穿过退火炉4的下表面开口与三轴作动系统6连接，所述退火炉4下表面的开口为成形平台5的三维作动提供空间，所述成形平台5包括可拆卸的成形层51和耐高温的底板52，所述成形层51通过卡扣与底板52固定，所述底板52与支撑杆9连接。所述成形层51与熔体具有良好浸润性，用于牵引和沉积成形，打印完毕后与制品一同取出。

进一步的，所述三轴作动系统6包括相互垂直的X轴直线运动模组61、Y轴直线运动模组62和Z轴直线运动模组63，所述Y轴直线运动模组62安装在X轴直线运动模组61上，其中X轴直线运动模组61和Y轴直线运动模组62的运动方向平行于退火炉4上、下开口所在平面，所述Z轴直线运动模组63安装在Y轴直线运动模组62上，Z轴直线运动模组63的运动方向垂直于退火炉4上、下开口所在平面，X轴直线运动模组61和Y轴直线运动模组62带动Z轴直线运动模组63在水平方向运动，Z轴直线运动模组带动支撑杆9与成形平台5在垂直方向运动；所述Z轴直线运动模组63的顶端安装有隔热板64，以隔绝退火炉4下开口处辐射热量。所述隔热板64上设置有通孔。支撑杆9底部与Z轴直线运动模组62的滑台固定，穿过隔热板64，从退火炉4体下开口伸入退火炉4内，顶部安装成形平台5。

本发明以太阳能作为热源，通过二级可调速机械送粉熔融方式实现星际壤粉料熔融；通过具备自动调控功能的挤出机构辅助聚光加热组件，配合机械螺杆挤出，成形平台5的牵引的方式实现熔体沉积；通过退火炉4原位退火的方式实现熔融沉积制品物相控制。

具体实施方式二

一种使用具体实施方式一所述的装置原位利用太阳能实现星际壤资源熔融沉积增材制造的方法，其步骤包括：熔融、挤出、沉积、退火；以原位外星壤资源作为原材料，以太阳能为热源，采用送粉熔融的方式，将外星壤熔融形成熔体；通过挤出机构3温度闭环控制保持熔体粘度处于合适的工作范围；通过对沉积温度控制调控成形制品物相，保证成型质量；具体包括以下步骤：

所述熔融步骤包括预熔融和送料熔融两步骤。其方法为：首先通过预熔融在熔融器2内形成稳定熔池，熔池深度3-5mm，熔池稳定澄清时间不小于5min；随后打开熔融器2出口阀门21并以一定速率送料，形成稳定连续熔体，送料速度20mL/min。

所述挤出步骤包括螺杆挤出和自动调控辅助加热两部分，其方法为:通过挤出螺杆38旋转将送料口流入熔体从挤出嘴31挤出；辅助聚光加热加热组件通过控制器，按照挤出嘴31出口熔体设定温度值调控挤出嘴31温度，保持挤出机构3出口处熔体粘度不小于150-200Pa·s；

所述沉积步骤，包括浸润和成形两步，其方法为：首先将通过挤出机构挤出的熔体与成形平台5的成形层51充分浸润，然后成形平台5进行三维运动，使熔体实现三维沉积成形；

所述退火步骤，其方法为：首先根据综合热分析测试和粘温测试掌握星际壤熔体析晶温度、退火温度，析晶温度为综合热分析(DSC)放热结晶峰所对应温度，所述退火温度低于热分析所得玻璃化转变温度50℃；其次，根据材料热学性质和对制品物相的要求制定退火工艺：对于星际壤熔融沉积增材制造玻璃制品原位退火工艺，成形过程中在低于退火温度30-50℃保温，成形完成后在退火温度下保温0.5-2h；；对星际壤熔融沉积增材制造陶瓷制品原位退火工艺，成形过程中在析晶温度保温，成形完成后首先在析晶点保温1-2h，随后降温至退火温度保温0.5-1h。

进一步地，对于送粉熔融和辅助聚光加热，直接太阳能利用方式可以为菲尼尔透镜自追光聚焦，菲涅尔透镜导光聚焦，多级反射式太阳光聚焦或反射透射混合式聚焦等光学系统；

所述温度闭环控制的方法为根据检测温度传感器35和参比温度传感器36反馈的数据计算挤出机构3辅助加热效率系数η，其计算方式如下：

其中，

n——反射聚光镜(32)聚光比；

α——挤出嘴(31)材料吸收率；

P——反射导向镜(33)反射太阳光能量密度，W/m2，与透光条带数量正相关；

ε——挤出嘴表面发射率；

σ——黑体辐射常数，5.67×10^-8W/(m·K⁴)；

T_i——检测温度传感器温度数值，K；

T₀——外星环境背景温度值，K。

辅助聚光加热组件根据辅助加热效率系数η、参比温度传感器温度数值T_n、设定温度值T_m判断辅助加热状态，调整电致变透光率膜带34透光条带的数量，进而调整辅助加热能量注入。

当T_n＜T_m时，增加透光条带总数；当η＞1，T_n＞T_m时，减少透光条带总数，设定温度值T_m依据挤出嘴31熔体粘度处于100-150Pa·s时温度范围确定。

实施例1

本发明所述送粉熔融沉积的具体实施方式如图2所示。

对于送粉熔融方式，送料器1包括两级送料。通过密封于方形管道内斗式传送带11输送，将外星壤粉料输送至顶部储料仓12，为一级送料。一级送料的主要目的是为二级送料储备必要的粉料。送料仓底部有带纵向翅片14的送料转轮13和密封垫15。当送料转轮13保持静止时，翅片14和密封垫15紧密贴合，起到密封储料仓12的作用；当送料转轮13转动时，储料仓12内粉料通过底部送料转轮13的可调速转动，以一定的流速进入熔融器2，为二级送料。二级送料的主要目的控制送粉熔融的合理速率。通过送料器两级送粉，实现了粉料储备和为粉料熔融可控速率送粉，保证送粉熔融质量。

实现送粉熔融方式的关键有以下两点：一是在输送熔体之前应先形成稳定的熔池；二是根据焦斑尺寸、能量和粉料吸收特性合理控制送料速度，保持熔融器2内熔池稳定连续。因此熔融器2的顶部聚光器7汇聚太阳光照射在底部带阀门21的钟形熔融器炉体。对于菲涅尔透镜聚光组件，由于外星壤粉料对高能光斑的吸收特性呈现介质辐射特征，因而在深度方向上逐渐衰减，故所形成的熔池形态类似钟形，该熔池形成规律对反射式与反射透射混合式聚光加热同样适用，故而熔融器炉体外形采用上开口钟形。送料器进料口位于熔融器炉体侧壁，进料口距离熔融器炉体距离高于所用聚光器熔深5-8mm。熔融器炉体内径为聚光器光斑直径1.2～1.5倍，外部围护保温层，底部熔体出口直径为光斑直径0.8～1倍，出口处有陶瓷阀门21控制熔体流向挤出机构3。在一个模拟月壤送粉熔融、熔融沉积实例中，聚光器为1m×1m菲涅尔透镜，光斑直径16mm，熔池深度8mm，送粉速率10mL/s，炉体内径直径20mm，熔体出口直径12mm。

熔融沉积增材制造过程中，熔体从挤出嘴31流出的状态对最终三维成形质量有决定性影响。外星低重力环境下，重力作为挤出沉积驱动力的效果大大减弱，因而需要有效的机械驱动力作为熔融沉积的挤出动力。与此同时，挤出过程中熔体的粘度对挤出效果影响显著，而外星壤熔体粘度与温度密切相关，且星际壤熔体为多组分复杂硅酸盐材料，料性短，熔体温度变化对溶体粘度影响很大，适宜粘度范围对应温度范围较小，因为需有效精准控制挤出机构3内熔体温度，以确保熔体粘度处于合适的工作区间。所述挤出机构3的包括挤出嘴31和挤出螺杆38和辅助聚光加热组件。挤出嘴31为氧化铝陶瓷材质，上部为中空圆柱体，尾部中空楔形内收，侧壁与熔融器2连通，熔体通过熔融通道22进入挤出嘴31。挤出螺杆38位于挤出嘴31内部，上部由可调速电机驱动螺杆转动，熔体进入螺杆螺棱之间，在螺杆转动和熔体连续进入的作用下实现从挤出机构3挤出。挤出螺杆38材质为铂铑合金或氮化硅陶瓷等与外星壤熔体浸润性较差的耐高温材料。辅助聚光加热组件需要固定反射聚光镜32状态保持聚光比和聚焦状态的稳定，通过调节反射导向镜33入射能量加热挤出嘴31及熔体通道22，实现可控性高的能量调节，保持挤出过程中熔体温度，控制熔体挤出温度并保持挤出嘴31内部熔体熔融状态和粘度。在本具体实施例中，对于模拟月壤材料，辅助聚光加热组件反射聚光镜的聚光比可选为2000-3000。

由于外星壤属于典型硅酸盐材料，一方面，外星壤熔体冷却过程中如不控制降温速率将出现明显的玻璃化、材料脆化和温度应力累积的问题，且外星环境下普遍存在超低温或高低温循环的极端环境，因而需要在外星壤熔融沉积的同时进行原位保温退火处理进而影响熔融沉积成形质量和制品适用性，另一方面，由于星际壤基材料多组分特性，其冷却洗净过程存在较为明显的析晶行为和可控的相变动力学特性，可通过控制退火工艺实现陶瓷相和玻璃相制品的制备，以满足外星开发活动中对制品种类不同的性能要求。在本具体实施方式中，所述退火炉4用于调控熔体沉积温度并与成形组平台5配合实现熔体沉积，所述退火炉4包含上开口、下开口和取料门41。退火炉4材质为轻质氧化铝纤维，侧壁三面开槽用于环绕布置电热丝。退火炉4上开口安装固定挤出机构3的挤出嘴31，下开口为成型平台5的三维作动提供空间，退火炉4上开口与下开口正对布置，并沿远离取料门41所在侧方向向内偏置。取料门41位于退火炉体一侧，附带观察窗，用于观察熔融沉积状态用于取出制品。退火炉4的侧壁上内嵌发热元件42电阻加热丝，所述电阻加热丝的材质为镍铬、铁铬等金属电阻丝。

三轴作动系统6采用XY轴带动Z轴在水平方向运动，Z轴带动支撑杆9与成形平台5在垂直方向运动。三轴作动系统6一种可选的实施方式为XY轴龙门式布置，三轴滑台双侧固定；另一种可选的实施方式为XY轴单悬臂式布置，三轴滑台单侧固定。Z轴顶部安装隔热板64以隔绝退火炉4热量，隔热板64开洞供支撑杆9穿过，隔热板64材质为轻质硅酸铝/氧化铝/含锆陶瓷纤维。支撑杆9底部与Z轴固定，穿过隔热板64，从退火炉4下开口伸入退火炉4内，顶部安装成形平台5。成形平台5分上下两层，下层为固定安装耐高温底板52，上层为可拆卸成型层51；成型层51底部预留槽孔，与底板52通过卡扣连接；成型层51材质为泡沫氧化铝，用于牵引和沉积成形，打印完毕后与制品一同取出。

实施例2

本具体实施例中，一种使用具体实施方式一所述的装置原位利用太阳能实现星际壤资源熔融沉积增材制造的方法，包含以下步骤：熔融、挤出、沉积、退火。

1、熔融：所述熔融步骤包括预熔融和送料熔融两步骤。

预熔融的步骤为：关闭阀门21，送入一定粉料，粉料量铺满熔融器2底部，厚度5-8mm，随后使用聚焦光斑照射粉料使之熔融并保持照射2-5min使熔池稳定均化；送料熔融的步骤为：完成预熔融后打开熔融器2阀门21并以一定速率送料，将稳定连续熔体持续通过熔体通道22输送至挤出机构3，期间保持熔融器2熔体内熔池深度5mm左右。

2、挤出：所述挤出步骤包括螺杆挤出和保温加热两部分，其步骤为:通过挤出螺杆38旋转将熔体通道22流入的熔体从挤出嘴31挤出，与此同时通过多级反射或反射透射混合的辅助聚光加热组件汇聚的太阳光持续加热挤出嘴31，通过检测温度传感器组监测挤出嘴31各部位温度，通过调节反射导向镜33透光条带数量调节反射聚光镜32入射能量，进而调节挤出嘴31处光斑能流密度。

外星环境高真空状态使得热量传递的主要形式变为热辐射，因此本发明以辐射换热平衡为基础建立辅助加热效率系数η，作为评价依据，通过比较辅助加热效率系数η、参比传感器温度数值T_n、设定温度值T_m判断挤出机构3内熔体状态，调整反射导向镜33透光条带数量，实现挤出机构3的自动闭环控温。加热温度应保持挤出机构3内熔体粘度在150-200Pa·s。在一个模拟月壤具体实施例中，设定温度值T_m取1335℃；

3、沉积：所述沉积步骤，包括浸润和成形两步。

浸润的步骤为：1)、将成形平台5送至具挤出嘴2-3mm处，通过挤出机构3挤出熔体，与成形平台5的成形层51充分浸润后将成形平台5移动到工作位置，开始三维成形；2)、三维成形的步骤为：根据三维数字模型生成熔融沉积运动路径，三轴作动系统5根据路径指令带动成形平台5三维运动，使熔体按预定位置沉积。

4、退火：所述退火步骤，其方法为：1)、通过综合热分析测试和粘温测试得到成形材料结晶点和粘温曲线，所述析晶温度为综合热分析(DSC)放热结晶峰所对应温度，所述退火温度低于热分析所得玻璃化转变温度50℃。；2)、：对于星际壤熔融沉积增材制造玻璃制品原位退火工艺，成形过程中在低于退火温度30-50℃保温，成形完成后在退火温度下保温0.5-2h；对星际壤熔融沉积增材制造陶瓷制品原位退火工艺，成形过程中在析晶温度保温，成形完成后首先在析晶点保温1-2h，随后降温至退火温度保温0.5-1h。对于一个模拟月壤熔融沉积具体实施例，于850-900℃存在结晶点，玻璃化转变温度620℃；基于此，对于模拟月壤熔融沉积增材制造玻璃制品工艺为：成形过程保温温度550℃，成型完成后600℃保温1h；对于模拟月壤熔融沉积增材制造玻璃制品工艺为：成形过程保温温度850摄氏度，成形完成后850℃保温1h，600℃保温1h。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用太阳能实现星际壤资源熔融沉积增材制造的方法，其特征在于，实现所述方法的装置包括送料器(1)、熔融器(2)、挤出机构(3)、退火炉(4)、成形平台(5)、三轴作动系统(6)和聚光器(7)，所述送料器(1)与熔融器(2)连通，所述聚光器(7)位于熔融器(2)的上方，所述挤出机构(3)位于熔融器(2)的下方并与熔融器(2)的底部开口连通，所述退火炉(4)位于挤出机构(3)的下方，所述挤出机构(3)的挤出嘴(31)竖直设置在退火炉(4)的顶部开口处，所述成形平台(5)设置在退火炉(4)内并位于挤出嘴(31)的下方，所述成形平台(5)与三轴作动系统(6)连接，所述三轴作动系统(6)位于退火炉(4)的下方，所述三轴作动系统(6)与退火炉(4)均设置在机架(8)上；所述挤出机构(3)还包括辅助聚光加热组件，所述辅助聚光加热组件包括反射聚光镜(32)和至少一个反射导向镜(33)，所有所述反射导向镜(33)的表面均设置一组电致变透光率膜带(34)，太阳光照射在反射导向镜(33)后，反射至反射聚光镜(32)，经反射聚光镜(32)反射至挤出嘴(31)的侧壁上；所述挤出嘴(31)外侧壁的四周和顶部均安装有检测温度传感器(35)，所述挤出嘴(31)的出口处安装有参比温度传感器(36)；所述方法以原位外星壤资源作为原材料，以太阳能为热源，采用送粉熔融的方式，将外星壤熔融形成熔体；通过挤出机构(3)温度闭环控制保持熔体粘度处于100-150Pa·s的工作范围内；通过对沉积温度控制调控成形制品物相，保证成型质量；所述温度闭环控制的方法为根据检测温度传感器(35)和参比温度传感器(36)反馈的数据计算挤出机构(3)辅助加热效率系数η，其计算方式如下：

其中，

n——反射聚光镜(32)聚光比；

α——挤出嘴(31)材料吸收率；

P——反射导向镜(33)反射太阳光能量密度，W/m²，与透光条带数量正相关；

ε——挤出嘴表面发射率；

σ——黑体辐射常数，5.67×10^-8W/(m·K⁴)；

T_i——检测温度传感器温度数值，K；

T₀——外星环境背景温度值，K；

辅助聚光加热组件根据辅助加热效率系数η、参比温度传感器温度数值T_n、设定温度T_m判断辅助加热状态，调整电致变透光率膜带(34)透光条带的数量，进而调整辅助加热能量注入，当T_n＜T_m时，增加透光条带总数；当η＜1，T_n＞T_m时，透光条带数量不变，当η＞1，T_n＞T_m时，减少透光条带总数，设定温度值T_m依据挤出机构(3)的挤出嘴(31)熔体粘度处于100-150Pa·s时温度范围确定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述挤出嘴(31)的侧壁上设置有辐射吸收涂层(37)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述送料器(1)包括传送带(11)和储料仓(12)，所述传送带(11)的出料端与储料仓(12)的进料口连接，所述储料仓(12)的内壁底部转动连接有送料转轮(13)，所述送料转轮(13)与调速电机的输出轴连接，所述调速电机安装在储料仓(12)外侧壁上，所述送料转轮(13)的外表面均布设置有若干个与送料转轮(13)的中轴线相垂直的翅片(14)，所述储料仓(12)的内壁上与送料转轮(13)相对应的位置处设置有密封垫(15)，所述储料仓(12)的底部开口处通过送料管(16)与熔融器(2)连通。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述退火炉(4)的一个侧壁上设置有取料门(41)，其余侧壁上均安装有发热元件(42)，所述成形平台(5)通过支撑杆(9)穿过退火炉(4)的底部开口与三轴作动系统(6)连接，所述成形平台(5)包括成形层(51)和底板(52)，所述成形层(51)设置在底板(52)上，所述底板(52)与支撑杆(9)的顶端连接。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述三轴作动系统(6)包括X轴直线运动模组(61)、Y轴直线运动模组(62)和Z轴直线运动模组(63)，所述Y轴直线运动模组(62)安装在X轴直线运动模组(61)上，所述Z轴直线运动模组(63)安装在Y轴直线运动模组(62)上，所述Z轴直线运动模组(63)的顶端安装有隔热板(64)，所述隔热板(64)上设置有通孔。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对沉积温度控制调控成形制品物相的具体步骤如下：首先根据综合热分析测试和粘温测试确定星际壤熔体析晶温度、退火温度；其次，根据材料热学性质制定退火工艺，进行成形过程和完成后的原位热处理，得到星际壤玻璃制品或陶瓷制品；

所述析晶温度为综合热分析DSC放热结晶峰所对应温度，所述退火温度低于热分析所得玻璃化转变温度50℃；

所述星际壤玻璃制品退火工艺为：成形过程中在低于退火温度30-50℃保温，成形完成后在退火温度下保温0.5-2h；

所述星际壤陶瓷制品退火工艺为：成形过程中在析晶温度保温，成形完成后首先在析晶点保温1-2h，随后降温至退火温度保温0.5-1h。

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