CN116277616A - 一种太空回收再制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种太空回收再制造方法，分为两个子系统：回收系统和制造系统，回收系统包括粉碎机构、熔融机构、过滤机构、短切机构、烘干机构、储料机构；制造系统包括进料机构、混料机构、送料机构、打印机构。对所需回收的材料进行分类，不同的材料执行不同的回收方案；本发明将增材制造技术和材料回收相互结合，可以有效替代当前航天器维护计划，满足在轨增材制造技术的发展，解决空间制造难题。

Description

一种太空回收再制造方法
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种太空回收复合材料再制造系统。
背景技术
目前所有太空任务都完全依赖于地球资源和将这些资源运送到太空的运载火箭。与地球的距离越远，持续时间越长，供应和再补给这些努力就越困难。
太空制造可实现太空电子设备、工具、结构件等部件的制造和维修，使长时间太空飞行任务更加安全、更有保障，因此，太空制造是满足未来太空探索任务要求的关键技术。目前美国国家航空航天局与中国航天科技集团有限公司均在太空中实现了空间增材制造。
根据国际空间站经验和火星任务情况，预计关键备件每年约为运载器净重的5％～6％，这对目前火箭运载能力是一个严峻的挑战。太空材料回收再制造技术是解决这个问题的关键技术，能够在减少太空垃圾的同时降低对材料的运载需求，使材料在轨循环利用，对人类永久性在月球生存和人类火星计划至关重要。
将增材制造技术和材料回收相互结合，可以有效替代当前航天器维护计划，满足在轨增材制造技术的发展，解决太空制造中设备体积受限、原料储备不足等难题。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了本发明提供了一种太空回收再制造方法，从而有效解决背景技术中所述的问题。
一种太空回收再制造方法，包括如下步骤：
该方法分为两个子系统：回收系统和制造系统，回收系统包括粉碎机构、熔融机构、过滤机构、短切机构、烘干机构、储料机构；制造系统包括进料机构、混料机构、送料机构、打印机构。
其中回收方案A：对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收，并对碳纤维送入烘干机构进行烘干处理，烘干完成后送入熔融机构进行两次树脂分离；然后分离后的烘干纤维送入短切机构进行短切，得到短切碳纤维，刚刚分离出来的热塑性树脂送入，过滤机构加热过滤，进行加热过滤、挤出，送入短切结构切粒冷却，获得热塑性树脂颗粒；
回收方案B：对短纤维增强热塑性树脂基复合材料或纯树脂材料进行回收，对材料送入粉碎机构进行粉碎、熔融机构进行熔融、过滤机构进行过滤挤出、树脂切粒冷却，获得短纤维增强热塑性树脂基复合材料颗粒或纯树脂材料颗粒。
其中回收方案A中根据使用需求将所述短切碳纤维以若干比例与获得的热塑性树脂颗粒混合，制作所需纤维含量的打印材料，将混合好的打印材料运送到3d打印机的储料机构中，进行增材制造。
进一步地，所述对连连续碳纤维进行回收中，包括但不限于回收的碳纤维包括使用寿命到期的报废碳纤维预浸料、报废碳纤维制品、已无使用需求的碳纤维制品。
进一步地，所述对短纤维增强热塑性树脂基复合材料和纯树脂材料进行回收中，包括但不限于受损报废制品、辐射老化制品、完成工作任务制品。
进一步地，对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收中，使用加热棒加热金属模具，使材料中的树脂经过模具变为熔融态，从而使得树脂与纤维分离。
进一步地，对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收中，材料通过模嘴对树脂和纤维进行二次分离，将两次分离后得到的树脂输送至储料结构中。
进一步地，对连续碳纤维进行烘干处理中，通过加热棒加热金属，通过金属的热辐射作用对连续碳纤维进行烘干。
进一步地，对连续纤维烘干处理后，通过模嘴引出，在模嘴出口处使用刀片进行短切，获得短切的碳纤维，并输送至储料机构中。
进一步地，对短纤维增强树脂基复合材料和纯树脂材料的回收中，通过粉碎机对制件进行粉碎。
进一步地，对粉碎后的材料，使用加热棒接触金属模具进行热传导，材料在模具中收到热辐射，辐射热量使材料中的树脂经过模具变为熔融态。
进一步地，熔融态的树脂通过模嘴挤出，并在模嘴出口处使用刀片进行短切，获得树脂颗粒或复材颗粒，并输送至储料机构中。
进一步地，在上述熔融机构、送料机构中，通过螺杆进行混合、搅拌、挤出。
进一步地，整个系统除粉碎机构和打印机构外中均为密封环境；
进一步地，整个系统中热源与模具的加热方式均为热传导，模具与材料的加热方式均为热辐射。
本发明的有益效果：
1.回收、制造一体式结构能够使树脂在反复融化和挤出的过程中产生的化学降解降低至最少，减少太空中塑料、复合材料垃圾的产生；
2.将太空材料回收再利用，使在长时间太空任务中实现可持续的制造、维修和回收成为可能，有望为未来的深空探索节省大量材料运输成本与备件占用空间，降低天地运输成本；
3.将回收装置与制造装置结合，不需要多设备调试，降低太空操作难度，节约宇航员的时间，同时减小了设备体积，降低了设备地空运输难度；
4.采用粒料直接打印，不需要传统打印使用的丝材，因而无需太空制丝。简化工艺流程，有利于进一步减小设备体积和降低设备故障概率；
5.利用太空环境高真空微重力的特点，避免传统回收工艺的研磨过程，可用粉碎后的材料多次回收；
6.上述简化的装置机构和工艺流程有利于减少电力资源消耗，降低空间站的能耗负载。
附图说明
图1为本发明的系统架构图；
图2为该方法的工作流程图；
图3为该方法的材料成型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
实施例1：
在本实施例中回收连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料，
包括连续碳纤维和尼龙6；
连续碳纤维增强聚合物制品经过含有加热棒的金属腔室内进行烘干，烘干后的制品进入熔融机构内的模具内加热，模具将制品加热至熔融状态，树脂滴落于下模具中，收集导流挤出，在树脂流出口切成粒料，之后对连续纤维进行牵引，通过熔融机构出口处的模嘴，进行第二次树脂分离，二次分离的树脂重复上述操作，将分离出的树脂颗粒输送到储料结构中；连续纤维通过模嘴后，进行短切，获得短切碳纤维，输送到储料机构中。
根据使用需要调整短切碳纤维和树脂比例，输送到混料机构搅拌，混合均匀后由送料机构输送至打印机构制造零件。
实施例2:
在本实施例中回收短碳纤维增强热塑性树脂基复合材料，包括短碳纤维和尼龙6；
短碳纤维增强聚合物制品进入烘干机构进行烘干，烘干后的制品进入粉碎机构，经过多级粉碎成为含短碳纤维树脂颗粒，进入熔融机构的模具内加热，模具将颗粒加热至熔融状态，流过过滤机构去除杂质，后流入下模具中，收集导流挤出，在树脂流出口经短切机构切成粒料，将分离出的树脂粒料输送到储料结构中。
需要制造零件时，原料进入进料机构，根据使用需要调整短切碳纤维和树脂粒料比例，输送到混料机构搅拌，混合均匀后由送料机构输送至打印机构制造零件。
本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (9)

1.一种太空回收再制造方法，其特征在于：该方法分为两个子系统：回收系统和制造系统，回收系统包括粉碎机构、熔融机构、过滤机构、短切机构、烘干机构、储料机构；制造系统包括进料机构、混料机构、送料机构、打印机构；对所需回收的材料进行分类，不同的材料执行不同的回收方案。
2.根据权利要求1所述的太空回收再制造方法，其特征在于：其中回收方案A：对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收，并对碳纤维送入烘干机构进行烘干处理，烘干完成后送入熔融机构进行两次树脂分离；然后分离后的烘干纤维送入短切机构进行短切，得到短切碳纤维，刚刚分离出来的热塑性树脂送入，过滤机构加热过滤，进行加热过滤、挤出，送入短切结构切粒冷却，获得热塑性树脂颗粒；
回收方案B：对短纤维增强热塑性树脂基复合材料或纯树脂材料进行回收，对材料送入粉碎机构进行粉碎、熔融机构进行熔融、过滤机构进行过滤挤出、树脂切粒冷却，获得短纤维增强热塑性树脂基复合材料颗粒或纯树脂材料颗粒。
3.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：其中回收方案A中根据使用需求将所述短切碳纤维以若干比例与获得的热塑性树脂颗粒混合，制作所需纤维含量的打印材料，将混合好的打印材料运送到3d打印机的储料机构中，进行增材制造。
4.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：对于回收方案A中：所述对连续碳纤维进行回收中，包括但不限于回收的碳纤维包括使用寿命到期的报废碳纤维预浸料、报废碳纤维制品、已无使用需求的碳纤维制品。
5.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：对于回收方案B中：所述对短纤维增强热塑性树脂基复合材料和纯树脂材料进行回收中，包括但不限于受损报废制品、辐射老化制品、完成工作任务制品。
6.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收中，熔融机构使用加热棒加热金属模具，使材料中的树脂经过模具变为熔融态，从而使得树脂与纤维分离。
7.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：对连续碳纤维增强热塑性树脂基复合材料进行回收中，二次分离是首先材料通过熔融机构进行分离然后再通过熔融机构上的模嘴对树脂和纤维进行二次分离，将两次分离后得到的树脂输送至储料结构中。
8.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：其中对连续碳纤维进行烘干处理中，通过加热棒加热金属，通过金属的热辐射作用对连续碳纤维进行烘干。
9.根据权利要求2所述的太空回收再制造方法，其特征在于：在对短纤维增强树脂基复合材料和纯树脂材料的回收中，通过粉碎机对制件进行粉碎；粉碎后的材料，使用加热棒加热金属模具，使材料中的树脂经过模具变为熔融态；熔融态的树脂通过模嘴挤出，并在模嘴出口处使用刀片进行短切，获得树脂颗粒或复材颗粒，并输送至储料机构中。
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