CN114876204A - 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统 - Google Patents

微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统 Download PDF

Info

Publication number
CN114876204A
CN114876204A CN202210702894.3A CN202210702894A CN114876204A CN 114876204 A CN114876204 A CN 114876204A CN 202210702894 A CN202210702894 A CN 202210702894A CN 114876204 A CN114876204 A CN 114876204A
Authority
CN
China
Prior art keywords
printing
building
soil
additive manufacturing
bin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202210702894.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114876204B (zh
Inventor
姚俊
吴世凯
柯尊来
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Junji Automation Technology Co ltd
Original Assignee
Shanghai Junji Automation Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Junji Automation Technology Co ltd filed Critical Shanghai Junji Automation Technology Co ltd
Priority to CN202210702894.3A priority Critical patent/CN114876204B/zh
Priority claimed from CN202210702894.3A external-priority patent/CN114876204B/zh
Publication of CN114876204A publication Critical patent/CN114876204A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114876204B publication Critical patent/CN114876204B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y30/00—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y70/00—Materials specially adapted for additive manufacturing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y80/00—Products made by additive manufacturing
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D15/00—Handling building or like materials for hydraulic engineering or foundations
    • E02D15/02—Handling of bulk concrete specially for foundation or hydraulic engineering purposes
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04G—SCAFFOLDING; FORMS; SHUTTERING; BUILDING IMPLEMENTS OR AIDS, OR THEIR USE; HANDLING BUILDING MATERIALS ON THE SITE; REPAIRING, BREAKING-UP OR OTHER WORK ON EXISTING BUILDINGS
    • E04G21/00—Preparing, conveying, or working-up building materials or building elements in situ; Other devices or measures for constructional work
    • E04G21/02—Conveying or working-up concrete or similar masses able to be heaped or cast
    • E04G21/04—Devices for both conveying and distributing
    • E04G21/0418—Devices for both conveying and distributing with distribution hose
    • E04G21/0436—Devices for both conveying and distributing with distribution hose on a mobile support, e.g. truck
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Architecture (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Civil Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Paleontology (AREA)
  • Mining & Mineral Resources (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)

Abstract

本发明提供一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，包括履带式行走平台以及集成在履带式行走平台上的地形勘测系统、增材制造打印系统以及浮动式取料机构；地形勘测系统，用于勘测确定行星表面适合建筑打印的地形区域以及勘测区域的土壤质量；多个浮动式取料机构，用于在行星表面取壤并通过筛料后，输送至增材制造打印系统的储料仓；增材制造打印系统，集成在履带式行走平台的工作台上，以逐层打印的方式将混合粉料挤出打印口后，在打印区域冷却成型，打印出建筑本体。本发明能够在微重力环境下就地取材，利用打印设备和能源介质开展永久和半永久建筑物搭建、零部件的打印。

Description

微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统。
背景技术
人类所赖以生存的地球，是宇宙中一颗普通的行星，仅仅在太阳系内。在其它行星与卫星上，存在着远超人类预期的资源。例如，NASA近期在小行星带锁定了一颗金属小行星，这颗小行星存在丰富的铁、镍金属，其总量超过目前全球的金属铁、镍储备量。假如人类宇航科技到达一定水平，就可以进入外太空采集外地行星资源，供给人类社会发展需求，更快得提升人类的进化速度。
目前人类探索宇宙的手段较为简单，主要基于理论预测和观测，可以归纳为三大类：实际观测、理论预测以及实验模拟与验证。
实际观测，是指通过望远镜、宇宙飞船、人造卫星、光谱分析、宇宙射线分析、引力波分析等手段进行观测研究；
理论预测，是指利用物理、数学等各方面知识在宇宙观测基础上建立理论，并服务于实际观测，例如恒星演化理论、双星理论、宇宙大爆炸理论等，著名的神秘天体“黑洞”就是先通过理论推导提出，再经由实际观测验证出来的。天王星、海王星、冥王星等都是通过理论发现其可能存在，并预测其轨道而发现的。
实验模拟与验证，例如在地球上建立实验和模拟条件与环境，对宇宙中存在的射线、粒子等进行探测和验证。著名的粒子对撞机就是为了研究宇宙学和高能物理学而建的试验设施。
时至今日，人类已经具备了可以满足行星际航行的理论储备，但人类的足迹却只到达过地球的卫星-月球，甚至因为无法提供足够的生命维持系统而无法进行长期驻扎就要匆匆返回地球，地月距离仅为38万公里，这个路程在浩瀚的宇宙空间中完全不值一提，更不用说到达其它的地外行星上进行有实质性意义的地质勘测与资源利用了。
行星际航行是人类太空探索历程需要踏出的第一步，如何实现这一几乎触手可及的历史使命，是摆在科研人员与工程人员面前的艰巨任务。他们要解决长时间飞行中宇航员们的生理需求、心理需求、物资需求、能源需求以及安全保障，还要想方设法将勘测设备、采矿设备在运输到目的地行星上，再利用飞船将资源运回地球。这种想法无疑是客观和实际的，但成本太高，甚至远远超过了资源本身的价值。
能够制造复杂几何形状的增材制造(AM)方法成为了在微重力环境下制造产品的合适方法之一。AM技术能够直接按照计算机模型生成复杂的三维物体，对于现场制造生产而言是极为有利的，如根据就地资源利用原则，在月球等行星表面就地建造永久或者半永久建筑物、零件等。现有技术评估了通过AM技术生产金属零件的能力和可行性，例如，一些金属原料(如铁、铝、钛等)可以通过熔融氧化物电解行星地表表面风化层来生产，但是这种生产方式是复杂且昂贵的。
如果行星质量近似地球质量，或者行星重力环境与地球重力环境相差不大，甚至超过地球重力环境，现有AM技术基本没有技术门槛，例如FDM、SLM、SLA等打印技术，但如果行星重力环境远小于地球重力环境，例如月球表面重力环境约为地球重力环境的1/6，按照现有的技术路线，将会产生不可控的打印质量缺陷，打印产品无法实际应用。
传统的增材制造技术中，不论是固-固转变方式(FDM，SLM等)或者液-固相变方式(SLA等)，均需要借助地球重力环境进行打印材料形貌的控制。例如，FDM工艺中通过重力，或者齿轮啮合方向上的挤出力将预制丝材挤出后熔融成型，这种方式显然无法通过设备在微重力环境中进行可持续的生产。而在SLA或者SLM工艺中，都需要保证成型面始终为水平面以控制打印输出的精度，在太空的微重力环境下很难实现。而且，在SLA工艺中，将液态材料运往外太空的成本也显然无法承受，SLM工艺中所需要的推粉装置，也无法在大尺寸建筑构件或者零件的成型工艺中进行很好地应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，能够在微重力环境下就地取材，利用打印设备和能源介质开展永久和半永久建筑物搭建、零部件打印，以期人类通过在近地卫星(月亮)、近地行星、甚至远航际行星地表上搭建建筑工事，用于宇宙航行中继驿站，或者在勘测开采该行星过程中用于人类居所、设备加工区域、维修区域和临时堆场等场所。
根据本发明的目的，提出一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，包括履带式行走平台以及集成在履带式行走平台上的地形勘测系统、增材制造打印系统以及浮动式取料机构；
履带式行走平台，所述履带式行走平台上配置有工作台；
地形勘测系统，集成在履带式行走平台内部，用于勘测确定行星表面适合建筑打印的地形区域以及勘测区域的土壤质量；
多个浮动式取料机构，分布在履带式行走平台的周围，并连接至增材制造打印系统，所述浮动式取料机构用于在行星表面取壤并通过筛料后，输送至增材制造打印系统的储料仓；
增材制造打印系统，集成在履带式行走平台的工作台上，具有储料仓、催化剂料仓、打印物料传输系统以及末端打印执行机构，所述储料仓被设置用于存储就地取材获得的土壤粉料，并与从催化剂料仓释放的催化剂进行混合后，经由所述打印物料传输系统输送至末端打印执行机构，在末端打印执行机构内经过高温熔化或者化学反应，以逐层打印的方式将混合粉料挤出打印口后，在打印区域冷却成型，打印出建筑本体。
优选地，所述浮动式取料机构包括管式取料臂以及设置在管式取料臂内的螺旋送料机构，所述螺旋送料机构的入口端接收取壤器的掘进取壤获得的岩石土壤粉末，出口端连通至增材制造打印系统的储料仓，并且在出口端与储料仓之间设置至少一个筛料口。
优选地，所述螺旋送料机构包括单螺杆型或者多螺杆型的螺杆泵，取壤获得的岩石土壤粉末在螺旋送料机构内通过螺杆间隙进行逐级研磨。
优选地，所述增材制造打印系统为单龙门式打印系统，包括：
设置于工作台表面并向上延伸的Z轴驱动机构，包括Z轴螺杆和Z轴电机，Z轴电机驱动Z轴螺杆以螺旋送料的方式向上运送混合粉料；
设置于Z轴驱动机构上并可进行多位置和/角度运动水平龙门槽，所述水平龙门槽内设置螺杆供料系统，螺杆供料系统接收所述Z轴驱动机构运送的混合粉料，并送至位于水平龙门槽末端位置的末端打印执行机构。
优选地，所述增材制造打印系统为机械臂打印系统，包括：
多自由度机械臂，一端设置在工作台并从工作台向上延伸，在机械臂末端设置末端打印执行机构；
储粉仓、催化剂料仓以及混料仓，三者独立地设置，并且储粉仓、催化剂料仓均通过独立的管路送料至混料仓，在混料仓内通过搅拌叶片搅拌均匀，得到混合粉料；
柔性泵料系统，通过软管和泵料机供料，其中使用第一段软管连接混料仓和泵料机入口，在泵料机出口端使用第二段软管向机械臂末端的末端打印执行机构输送混合粉料。
应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。
结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。
附图说明
附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：
图1是本发明实施例的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统的一个示例，其中增材制造打印系统采用单龙门式打印系统。
图2是本发明实施例的地形勘测系统的示意图。
图3是本发明实施例的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统的另一个示例，其中增材制造打印系统采用机械臂打印系统。
图4是本发明实施例的聚焦加热模块的示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。
根据本发明的实施例的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，包括履带式行走平台100以及集成在履带式行走平台上的地形勘测系统200、增材制造打印系统300以及浮动式取料机构400。
履带式行走平台100的上表面配置有工作台110。
本发明提出的履带式行走平台200，其中集成了地形勘测系统，满足了在复杂崎岖地形环境中的可靠驱动需求，同时可以实时探测土壤丰度和品位，在勘测到适用区域后初调整工作台水平度。
结合图2所示，地形勘测系统包括地形勘测模块210以及土壤勘测模块220，地形勘测模块210用以勘测行星表面适合建筑打印的地形区域，土壤勘测模块220用以根据土壤的丰度和品位，确定土壤质量。
地形勘测系统优选集成在履带式行走平台内部，包括测定仪器以及传感器，例如超声波探测系统、成分测试仪、矿石分析仪、光谱仪等，用于勘测确定行星表面适合建筑打印的地形区域，例如地形平整、无信号遮挡、辐射值稳定、地质活动较少的区域，以及勘测区域的土壤质量，如土壤成分及有用物含量、颗粒度、粒径分布、土壤深度等。
当检测述地貌地形符合条件后，履带式行走平台将通过挖掘工具将土壤分批搬运至指定区域，或者展开土壤掘进器就地取土，当土壤开采达到一定量后，履带式行走平台放下其支撑底座，土壤或者细小的岩石粉末通过筛选器进入增材制造打印系统。
在本发明的实施例中，优选采用多个浮动式取料机构400，分布在履带式行走平台100的周围。每个浮动式取料机构400连接至增材制造打印系统300。
其中，浮动式取料机构400用于在行星表面取壤并通过筛料后，输送至增材制造打印系统300的储料仓。
作为可选的实施例，浮动式取料机构400包括管式取料臂410以及设置在管式取料臂内的螺旋送料机构420。
螺旋送料机构420的入口端接收取壤器的掘进取壤获得的岩石土壤粉末，出口端连通至增材制造打印系统的储料仓130。优选的，在螺旋送料机构420的出口端与储料仓之间设置至少一个筛料口，设置有筛网，用于筛选符合打印要求粒径的细粉以及土壤。
在可选的实施例中，螺旋送料机构采用单螺杆型或者多螺杆型的螺杆泵，取壤获得的岩石土壤粉末在螺旋送料机构内通过螺杆间隙进行逐级研磨。
结合图1所示的示例，增材制造打印系统300集成在履带式行走平台的工作台110上表面，具有储料仓310、催化剂料仓320、混料仓330、打印物料传输系统以及末端打印执行机构350。
其中，由于催化剂使用了极小，主要是打印原材料在于在打印的微重力环境，例如月球等行星表面就地获取，因此，催化剂料仓可在地球上预先负载，将催化剂例如液态、固态催化剂预先装载在其中，催化剂被设置成按照预设方式可控释放。
作为可选的实施例，打印物料传输系统用于将混合后的混合粉料输送至末端打印执行机构350，在末端打印执行机构350进行打印操作。
结合图1所示，增材制造打印系统300包括Z向支撑-移动机构341以及Y向支撑-移动机构342，末端打印执行机构350设置位于Y向支撑-移动机构342的末端，用于通过Y向支撑-移动机构342使得末端打印执行机构350在平面内的移动。
Y向支撑-移动机构342与Z向支撑-移动机构341连接，并被设置成可沿着Z向在高度方向上移动，以实现逐层挤出打印。
作为可选的实施例，打印物料传输系统包括Z轴送料机构，可集成在Z向支撑-移动机构341内部，例如通过螺杆进行送料，将混料仓330中的混合粉料输送至Y向支撑-移动机构342内设置的密封的送料机构，从而最终达到末端打印执行机构350。
储料仓310被设置用于存储就地取材获得的土壤粉料，并与从催化剂料仓320释放的催化剂进行混合后，经由打印物料传输系统输送至末端打印执行机构350，在末端打印执行机构350内部经过高温熔化或者化学反应，以逐层打印的方式将混合粉料挤出打印口后，在打印区域冷却成型，打印出建筑本体。
作为可选的实施例，结合图1所示，增材制造打印系统为单龙门式打印系统，包括：
设置于工作台表面并向上延伸的Z轴驱动机构，包括Z轴螺杆和Z轴电机，Z轴电机驱动Z轴螺杆以螺旋送料的方式向上运送混合粉料；
设置于Z轴驱动机构上并可进行多位置和/角度运动水平龙门槽，水平龙门槽内设置螺杆供料系统，螺杆供料系统接收所述Z轴驱动机构运送的混合粉料，并送至位于水平龙门槽末端位置的末端打印执行机构。
其中，前述的Z向支撑-移动机构341构成Z轴驱动机构，Y向支撑-移动机构342构造为多位置和/角度运动水平龙门槽结构。
其中，结合图1所示的示例，储料仓310内设置的混料仓330，与Z轴驱动机构的Z轴螺杆连接，从催化剂料仓内可控释放的催化剂进入该混料仓内，与筛料后的岩石土壤粉末在混料仓内混合，并通过搅拌叶片搅拌均匀，得到混合粉料。
作为可选的实施例，结合图3所示，增材制造打印系统为机械臂打印系统，包括：
多自由度机械臂1000，一端设置在工作台110并从工作台向上延伸，在机械臂末端设置末端打印执行机构350；
储粉仓310、催化剂料仓320以及混料仓330，三者独立地设置，并且储粉仓310、催化剂料仓320均通过独立的管路送料至混料仓330，在混料仓内通过搅拌叶片搅拌均匀，得到混合粉料；
柔性泵料系统，通过软管和泵料机进行供料，其中使用第一段软管2001连接混料仓330和泵料机入口，在泵料机出口端使用第二段软管2002向机械臂末端的末端打印执行机构350输送混合粉料。
其中，结合图2所示，软管分为两段，第二段软管被设置成沿着机械臂布置，并且在机械臂的每一处关节，第二段软管均设置一关节转向器，实现同步转动和同步供料。
在本发明的各个实施例中，末端打印执行机构配置有高温加热模块，熔化混合粉料。前述的高温加热模块包括基于储能电池系统的电加热模块、基于恒星辐照的聚焦加热模块或者其他可基于行星表面的能源介质，例如恒星辐照、储能电池、地热能、潮汐能等能源介质进行就地取用的方式对混合粉料进行高温加热。
作为可选的方式，充分混合后的粉料混合物通过螺杆输送或者软管泵送逐级运送到末端执打印行机构之后，在机构内使用光聚焦形成聚焦光斑或者电加热等方式将混合粉料升温熔化，以液态或者固-液混合物的方式将熔融物挤到打印工作面，在打印工作面通过逐层挤出、冷却的方式打印出整个建筑物。其中，末端打印执行机构内设螺纹挤出机构，以挤出的方式将液态或者固-液混合物可控地挤出至打印工作面。
在另外的实施例中，充分混合后的粉料混合物通过螺杆输送或者软管泵送逐级运送到末端执打印行机构之后，将固态的混合粉料可控地“挤到”打印工作面上，再通过光聚焦的方式在工作面上将粉末熔融。在该实施例中，可通过控制粉料的挤压力和送料速率可控地将混合粉料送至末端打印执行机构内，并可通过控制末端打印执行机构的供粉速率将混合粉料送至打印工作面上，通过对恒星辐照进行光学聚焦后形成的高能量密度聚焦光斑进行熔融。
应当理解，前述的基于储能电池系统的电加热模块，例如采用光伏转换系统以及储能电池，将辐照能量进行转换成电能存储，并通过转换成电能以电加热的方式对送至打印工作面的混合粉料进行熔融。
作为可选的示例，基于恒星辐照的聚焦加热模块包括一聚焦透镜以及一反射镜。
聚焦透镜用于对恒星辐照的输入进行聚焦，并通过反射镜的光路转换，形成聚焦光斑，用于熔化混合粉料。
结合图4所示，根据能量守恒定则得知，通过聚焦透镜的光束能量E1在经过光路系统后发生损耗，在聚焦光斑位置处的能量E2等于损耗后的能量E1。
通过聚焦透镜和聚焦光斑处的能量E等于能量密度W乘以面积S，结合能量守恒定则，则在本发明的实施例中，聚焦透镜被设置成按照下述方式设计：
rE1＝E2；
E1＝W1*S1；
E2＝W2*S2；
其中，W1表示恒星辐照强度，S1表示聚焦透镜面积，S1＝π*(D1/2)2；D1表示聚焦透镜的直径。
W2表示聚焦光斑的能量密度，S2表示聚焦光斑的面积，S2＝π*(D2/2)2；D2表示聚焦光斑的直径。
r表示由聚焦透镜以及反射镜构成的聚焦系统的能量损耗系数。
结合以上实施例，我们以月球表面打印建造为例进行更佳具体的说明。
月球的大部分地质条件与其他岩石类行星类似。月球是地球唯一的天然卫星，被地日引力锁定后，唯有一面接受太阳照射且永远朝向地球，即月昼面，温度约127℃。月球重量约为地球的1/6，其重力亦为地球赤道面重力的1/6，属于典型的微重力环境。月球没有大气层，整个月面高度真空，无任何气体和液体，且因为长期承受各类天体撞击，导致月面崎岖不平，地表岩石粉化严重，部分区域的月壤平均厚度可以达到5-10m，具有丰富的建筑材料，可用来作为建筑打印的材料来源。
以图1所示的单龙门式增材制造打印系统为例，将履带式行走平台整合成一部自带行驶与地形勘探功能的车辆，在落位月球地表后，在行驶至预先设定的地理坐标附近后，即开始找寻适合建筑打印的地形区域，如平整、无信号遮挡、辐射值稳定、地质活动较少的区域，，同时，通过传感器、分析仪等勘测设备测定选定区域的土壤品位和丰度，如土壤成分、颗粒度、粒径分布、土壤深度等。当上述地貌地形符合条件后，小车将通过挖掘工具将土壤分批搬运至指定区域，或者展开土壤掘进器就地取土，当土壤开采达到一定量后，小车放下支撑底座，土壤或者细小的岩石粉末通过筛选器进入增材制造打印系统的储料仓，为提高打印效率，稳定打印质量。
其中，储料仓可额外配置催化剂料仓，可从地球上负载，催化剂可采用液态、固态等形式，并通过设置以预定的方式进行可控的释放。
在混料仓内，催化剂与土壤粉料进行搅拌混合。
充分混合后的混合粉料通过物料传输系统到达末端打印执行机构，进行打印准备。
在末端执行机构，混合粉料需要经过高温熔化或者化学反应，将固态的粉料或者固液混合的粉料“挤”出打印口，随即在工作区域进行冷却，通过逐层打印挤出成型的方式，完成整个挤出打印工艺，即初步形成建筑本体。
在可选的方式中，实现高温加热熔化的能源供给可通过恒星辐射聚焦加热(例如菲涅尔透镜)或者通过光能电池进行电加热。
在本发明的实施例中，以基于菲涅尔透镜的光照聚焦加热方式为例，通过将太阳光的辐射能进行聚焦，形成高能量密度的聚焦光斑，用于实现粉料的熔化。
以月球表面的建筑物打印为例，太阳光可视为平行光源，太阳光在打印系统中的光路系统中经过聚焦，熔融区的光斑能量密度需要熔化月壤粉末。因此，在本发明的实施例中，按照前述的方式，首先需要设计出如何通过设计透镜以达到聚焦光斑处高能量密度的条件。
根据月球表面月壤的成分和特性，经过理论计算，在一定孔径的聚焦透镜下，聚焦光斑直径为2mm处的能量密度至少需要达到105W/cm2才足以熔化月壤。根据已有的月球表面太阳辐射研究可知，在不考虑近日点和远日点的极限情况下，月昼地表的太阳光辐照强度为1363～1368W/m2，约为地球太阳辐射强度的15000倍。因此，考虑月表太阳在一般情况下最低辐射强度1363W/m2时，通过能量守恒计算得出聚集透镜直径。
按照前述联立的能力守恒方程：
rE1＝E2；
E1＝W1*S1；
E2＝W2*S2；
其中W1为太阳辐射强度1363W/m2，S1为聚焦透镜的面积，W2为聚焦光斑处能量密度105W/cm2，S2为聚焦光斑面积，为0.01πcm2。由此，可得到聚焦透镜的半径r1约为92.9cm，因此聚焦透镜的直径D1约为184.18cm。
在另外的实施例中，我们采用等效模拟的方法计算了聚焦光斑处的能量密度分别为104W/cm2，103W/cm2，102W/cm2时对应的聚焦透镜直径。同样的根据方程组得到了当聚焦光斑处的能量密度为104W/cm2时，聚焦透镜直径约为58.76cm。当聚焦光斑处的能量密度为103W/cm2时，聚焦透镜直径约为18.418cm。当聚焦光斑处的能量密度为102W/cm2时，聚焦透镜直径约为5.876cm。
基于上述计算和分析可见，通过改变月壤材料体系，通过降低材料融化所需能量，即可显著减小透镜尺寸与加工难度。
在可选的实施例中，通过对岩石土壤粉末添加催化剂的调控，例如在其中添加的硫磺或者铝合金粉末含量，来调控所需求的聚焦光斑熔融能量。尤其是，当添加的催化剂含量增大时，所需求的聚焦光斑熔融能量随之降低，由此降低所需要的聚焦光斑熔融能量以及菲涅尔透镜的尺寸需求。
在可选的实施例中，履带式行走平台内还可以集成探伤系统，例如基于超声波、计算机图形视觉等方式，用于对打印区域的打印物(例如建筑或者零部件)进行成型质量探伤。
在完成既定区域的打印任务后，通过探伤系统对打印物成型质量探伤进行质量检测，以确认该建筑部位是否达到设定致密度和刚度。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (12)

1.一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，包括履带式行走平台以及集成在履带式行走平台上的地形勘测系统、增材制造打印系统以及浮动式取料机构；
履带式行走平台，所述履带式行走平台上配置有工作台；
地形勘测系统，集成在履带式行走平台内部，用于勘测确定行星表面适合建筑打印的地形区域以及勘测区域的土壤质量；
多个浮动式取料机构，分布在履带式行走平台的周围，并连接至增材制造打印系统，所述浮动式取料机构用于在行星表面取壤并通过筛料后，输送至增材制造打印系统的储料仓；
增材制造打印系统，集成在履带式行走平台的工作台上，具有储料仓、催化剂料仓、打印物料传输系统以及末端打印执行机构，所述储料仓被设置用于存储就地取材获得的土壤粉料，并与从催化剂料仓释放的催化剂进行混合后，经由所述打印物料传输系统输送至末端打印执行机构，在末端打印执行机构内经过高温熔化或者化学反应，以逐层打印的方式将混合粉料挤出打印口后，在打印区域冷却成型，打印出建筑本体。
2.根据权利要求1所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述浮动式取料机构包括管式取料臂以及设置在管式取料臂内的螺旋送料机构，所述螺旋送料机构的入口端接收取壤器的掘进取壤获得的岩石土壤粉末，出口端连通至增材制造打印系统的储料仓，并且在出口端与储料仓之间设置至少一个筛料口。
3.根据权利要求2所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述螺旋送料机构包括单螺杆型或者多螺杆型的螺杆泵，取壤获得的岩石土壤粉末在螺旋送料机构内通过螺杆间隙进行逐级研磨。
4.根据权利要求1所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述地形勘测系统包括地形勘测模块以及土壤勘测模块，所述地形勘测模块用以勘测行星表面适合建筑打印的地形区域，土壤勘测模块用以根据土壤的丰度和品位，确定土壤质量。
5.根据权利要求4所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述催化剂料仓用于存储催化剂，并被设置成按照预设方式可控释放。
6.根据权利要求1所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述增材制造打印系统为单龙门式打印系统，包括：
设置于工作台表面并向上延伸的Z轴驱动机构，包括Z轴螺杆和Z轴电机，Z轴电机驱动Z轴螺杆以螺旋送料的方式向上运送混合粉料；
设置于Z轴驱动机构上并可进行多位置和/角度运动水平龙门槽，所述水平龙门槽内设置螺杆供料系统，螺杆供料系统接收所述Z轴驱动机构运送的混合粉料，并送至位于水平龙门槽末端位置的末端打印执行机构。
7.根据权利要求6所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述储料仓内设置有混料仓，与Z轴驱动机构的Z轴螺杆连接，从催化剂料仓内可控释放的催化剂进入该混料仓内，与筛料后的岩石土壤粉末在混料仓内混合，并通过搅拌叶片搅拌均匀，得到混合粉料。
8.根据权利要求1所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述增材制造打印系统为机械臂打印系统，包括：
多自由度机械臂，一端设置在工作台并从工作台向上延伸，在机械臂末端设置末端打印执行机构；
储粉仓、催化剂料仓以及混料仓，三者独立地设置，并且储粉仓、催化剂料仓均通过独立的管路送料至混料仓，在混料仓内通过搅拌叶片搅拌均匀，得到混合粉料；
柔性泵料系统，通过软管和泵料机供料，其中使用第一段软管连接混料仓和泵料机入口，在泵料机出口端使用第二段软管向机械臂末端的末端打印执行机构输送混合粉料。
9.据权利要求1所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，上述第二段软管被设置成沿着机械臂布置，并且在机械臂的每一处关节，第二段软管均设置一关节转向器，实现同步转动和同步供料。
10.根据权利要求6～9中任意一项所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述末端打印执行机构配置有高温加热模块，熔化混合粉料。
11.根据权利要求10项所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述高温加热模块包括基于储能电池系统的电加热模块。
12.根据权利要求10项所述的微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，其特征在于，所述高温加热模块包括基于恒星辐照的聚焦加热模块，所述聚焦加热模块包括一聚焦透镜以及一反射镜；
所述聚焦透镜用于对恒星辐照的输入进行聚焦，并通过反射镜的光路转换，形成聚焦光斑，用于熔化混合粉料；
其中，所述聚焦透镜被设置成按照下述方式设计：
rE1＝E2
E1＝W1*S1
E2＝W2*S2
其中，W1表示恒星辐照强度，S1表示聚焦透镜面积，S1＝π*(D1/2)2；D1表示聚焦透镜的直径；
W2表示聚焦光斑的能量密度，S2表示聚焦光斑的面积，S2＝π*(D2/2)2；D2表示聚焦光斑的直径；
r表示由聚焦透镜以及反射镜构成的聚焦系统的能量损耗系数。
CN202210702894.3A 2022-06-21 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统 Active CN114876204B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210702894.3A CN114876204B (zh) 2022-06-21 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210702894.3A CN114876204B (zh) 2022-06-21 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114876204A true CN114876204A (zh) 2022-08-09
CN114876204B CN114876204B (zh) 2024-05-31

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116922764A (zh) * 2023-06-29 2023-10-24 北京科技大学 一种月壤构件的3d打印成型装置及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105599104A (zh) * 2015-12-25 2016-05-25 杭州博彭科技有限公司 建筑轮廓成型机的混凝土处理设备及处理方法
CN205394770U (zh) * 2016-03-02 2016-07-27 南京师范大学 一种三维建筑打印材料连供系统
CN110039771A (zh) * 2019-04-28 2019-07-23 华中科技大学 面向微重力真空环境的月球表面原位资源3d打印装置
CN110509288A (zh) * 2019-08-21 2019-11-29 武汉理工大学 月球营地辅助施工机器人
CN111185992A (zh) * 2020-02-26 2020-05-22 中国空间技术研究院 一种用于月坑中月壤资源的3d打印设备
CN112939520A (zh) * 2021-02-25 2021-06-11 浙江大学 一种超重力离心3d打印的月壤混凝土及其制备方法
WO2021236585A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Icon Technology, Inc. System and method for deploying, harvesting, and in-situ three-dimensional printing of structures in an extraterrestrial environment
CN114290477A (zh) * 2022-01-18 2022-04-08 丁昌利 一种太阳光汇聚3d打印生成建筑的方法
CN114311220A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法
CN114516104A (zh) * 2022-03-15 2022-05-20 中国矿业大学(北京) 一种面向地外星球的建材原位制造装置及其方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105599104A (zh) * 2015-12-25 2016-05-25 杭州博彭科技有限公司 建筑轮廓成型机的混凝土处理设备及处理方法
CN205394770U (zh) * 2016-03-02 2016-07-27 南京师范大学 一种三维建筑打印材料连供系统
CN110039771A (zh) * 2019-04-28 2019-07-23 华中科技大学 面向微重力真空环境的月球表面原位资源3d打印装置
CN110509288A (zh) * 2019-08-21 2019-11-29 武汉理工大学 月球营地辅助施工机器人
CN111185992A (zh) * 2020-02-26 2020-05-22 中国空间技术研究院 一种用于月坑中月壤资源的3d打印设备
WO2021236585A1 (en) * 2020-05-22 2021-11-25 Icon Technology, Inc. System and method for deploying, harvesting, and in-situ three-dimensional printing of structures in an extraterrestrial environment
CN112939520A (zh) * 2021-02-25 2021-06-11 浙江大学 一种超重力离心3d打印的月壤混凝土及其制备方法
CN114311220A (zh) * 2021-12-28 2022-04-12 哈尔滨工业大学 一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法
CN114290477A (zh) * 2022-01-18 2022-04-08 丁昌利 一种太阳光汇聚3d打印生成建筑的方法
CN114516104A (zh) * 2022-03-15 2022-05-20 中国矿业大学(北京) 一种面向地外星球的建材原位制造装置及其方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116922764A (zh) * 2023-06-29 2023-10-24 北京科技大学 一种月壤构件的3d打印成型装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lim et al. Extra-terrestrial construction processes–Advancements, opportunities and challenges
US10675811B1 (en) Additive manufacturing of extended structures
Khoshnevis et al. Contour crafting simulation plan for lunar settlement infrastructure buildup
CN111185992A (zh) 一种用于月坑中月壤资源的3d打印设备
US11383436B2 (en) System and method for deploying, harvesting, and in-situ three-dimensional printing of structures in an extraterrestrial, environment
US11285664B2 (en) In-situ resource preparation and utilization methods
Imhof et al. Advancing solar sintering for building a base on the Moon
Ulubeyli Lunar shelter construction issues: The state-of-the-art towards 3D printing technologies
Howe et al. Faxing structures to the moon: Freeform additive construction system (FACS)
Sanders et al. NASA in-situ resource utilization (ISRU) project: Development and implementation
CN114876204B (zh) 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统
CN114876204A (zh) 微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统
Williams Power transmission by laser beam from lunar-synchronous satellite
Mueller Construction with Regolith
Csank et al. Power and energy for the lunar surface
CN212736433U (zh) 一种用于月坑中月壤资源的3d打印设备
Linne et al. Oxygen Production System for Refueling Human Landing System Elements
Taylor Using the Resources of the Moon to Expand Earth's Economic Sphere
RU2751836C1 (ru) Робототехнический комплекс для безлюдного возведения строений/укрытий на Луне
Oda Stepwise Development of SSPS, NASDA's Current Study Status of the IGW class Operational SSPS and its Precursors
Gaikwad Solar Power System for 3D Printing on Lunar Surface for In-Situ Resource Utilization
Jiayong et al. Research of Materials and Manufacturing Technology System for On-orbit Manufacturing
Mission et al. Human Spaceflight Project-Team Blue-Mission and Logistics Report
von Ehrenfried et al. Artemis influence on Mars planning
CN117513459A (zh) 一种月壤挖掘、分选、烧结一体化的月面探测装置及方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant