CN116277949A - 一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，包括包括打印头连接架、冷端散热块、半导体热泵和热端加热块；打印头连接架和冷端散热块均为7系镁铝合金材质，所述冷端散热块从上到下依次设有环形卡槽、固定在其表面的环状K型热电偶温度传感器和主体冷却部分；所述冷端散热块通过环形卡槽锁紧在所述打印头连接架上；主体冷却部分的底部开有螺纹孔，用以连接喉管；半导体热泵的冷端与所述主体冷却部分贴紧接触且热端与热端加热块贴紧接触；喷嘴安装于热端加热块底部。
Description
技术领域
本发明涉及空间增材制造技术领域，具体涉及一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头。
背景技术
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，制造过程使用高分子聚合物线材通过FDM技术熔融挤出，层层堆叠成型。在地面进行树脂熔融增材制造的过程中，需要在打印头安装加热块，在喷头处加热熔融树脂后挤出；同时要在加热块上方安装散热风扇，防止热量经由送料喉管传导至未熔融树脂处造成打印头堵塞。在空间环境中，受到环境限制，热对流与热传导受到影响，传统散热方式受到限制；同时在打印过程中需要尽可能提升能量利用率，降低能量损耗，因此需要对打印头的结构进行优化，以适应空间环境下的增材制造过程。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种空间环境增材制造高能量利用率打印头，利用半导体材料的珀耳帖效应(Peltier effect)在外加电场作用下，电子发生定向运动，将一部分内能带到电场另一端，从而在半导体材料两端产生的吸热、放热现象实现对打印头的加热及上方未熔融树脂的冷却。
一种空间环境增材制造高能量利用率打印头包括连接架，用以与运动装置连接固定；冷端散热块，用以连接送料管、喉管、半导体热泵冷端和温度传感器，防止热量融化丝材；喉管，用以连接冷端散热块和热端加热块；热端加热块，用以加热熔融树脂并连接喷嘴、加热棒、半导体热泵热端和温度传感器；加热棒，在半导体热泵制热效率不足时用以辅助加热。其中加热棒可以是热电阻丝缠绕在紫铜加热块上，也可以在紫铜加热块上开孔放入加热棒。
进一步地，所述连接架、冷端散热块采用7系镁铝合金材质，在保证结构强度的同时降低自身质量；在连接架、冷端散热块上开有环形卡口，保证连接架和冷端散热块的稳定连接；在冷端散热块上方开螺纹孔连接气动接头和送料管；同时冷端散热块表面开孔内置K型热电偶，用以测量冷端散热块温度；冷端散热块下方或侧方连接半导体热泵冷端，实现对冷端散热块的冷却，冷端散热块下方开螺纹孔连接喉管。
进一步地，所述热端加热块采用T1紫铜材质，表面镀铬处理，保证高导热系数；热端加热块顶部开螺纹孔孔连接喉管；热端加热块底部开螺纹孔连接喷嘴；热端加热块表面开孔安装加热块及K型热电偶用以辅助加热及测温；热端加热块顶部或侧面连接半导体热泵热端，实现对热端加热块的加热。
进一步地，所述半导体热泵为片状，通过直流电驱动，无运动组件，可单片使用也可多片叠加使用提升功率，其两端分别为冷端和热端；通电后半导体热泵冷端吸热，热端散热，且产热效率大于实际输入功率，能够在空间环境下同时实现增材制造过程所需的散热及加热过程。
本发明的有益效果：
在空间环境中，热对流与热传导受到限制，无法使用传统打印过程的风扇进行散热；本发明通过使用可以同时制冷、制热的半导体热泵解决了在太空环境下增材制造所需的加热及冷却过程，提升能量利用率，节约能源。此外半导体热泵还具有体积小，重量轻，使用过程安全，无机械振动等诸多优势。
附图说明
图1所示为一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头整体结构设计图。
图2为打印头连接架1结构图。
图3为冷端散热块2结构图。
图4为一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头例1剖面图。
图5为一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头例2剖面图。
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
如图1-4所示，本实施例的打印头连接架1为7系镁铝合金材质，用以与运动装置连接固定，进一步地，其表面开有安装孔及定位孔，同时为保证与冷端散热块2连接紧密，打印头连接架1通过环形卡槽锁紧冷端散热块2，打印头连接架1包括后连接架11及前连接架12。
冷端散热块2为7系镁铝合金材质，通过环形卡槽21与打印头连接架1连接，表面固定环形K型热电偶温度传感器22，冷端散热块2上的主体冷却部分23用以接触半导体热泵4冷端，同时主体冷却部分23底部开有螺纹孔，用以连接喉管3。
喉管3为钛合金材质，两端为外螺纹，用以连接冷端散热块2和热端加热块3，中间部分为缩颈，减少冷端和热端的热量交换，进一步提升能量利用效率。
本实施例中，半导体热泵4为片状，本实施例采用四片碲化铋为基体的三元固溶体合金半导体热泵堆叠提升制冷、制热效率，其中P型材料为Bi2Te3—Sb2Te3，N型材料为Bi2Te3—Bi2Se3，半导体热泵两端与冷端散热块2和热端加热块5贴紧，以提升导热效率。
热端加热块5为T1紫铜材质，连接半导体热泵4热端，同时外部缠绕热电阻丝，在半导体热泵制热效率不足时用以辅助加热内部安装环形K型热电偶温度传感器，监测实时熔融温度；两端开有螺纹孔，用以连接喉管3和喷嘴6。
本实施例中，喷嘴6为钛合金材质，安装于热端加热块5底部。
本实施例与实施例1的区别为半导体热泵4安装位置及数量不同，本实施例中半导体热泵4为竖直安装，内侧半导体热泵4冷端贴紧冷端散热块2，外侧半导体热泵4热端贴紧热端加热块5，同时本实施例使用1片大面积半导体热泵，减少了使用数量，增大了半导体热泵4面积。
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 (5)
1.一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，其特征在于：包括打印头连接架(1)、冷端散热块(2)、半导体热泵(4)和热端加热块(5)；打印头连接架1和冷端散热块(2)均为7系镁铝合金材质，所述冷端散热块(2)从上到下依次设有环形卡槽(21)、固定在其表面的环状K型热电偶温度传感器(22)和主体冷却部分(23)；所述冷端散热块(2)通过环形卡槽(21)锁紧在所述打印头连接架(1)上；主体冷却部分(23)的底部开有螺纹孔，用以连接喉管(3)；半导体热泵(4)的冷端与所述主体冷却部分(23)贴紧接触且热端与热端加热块(5)贴紧接触；喷嘴(6)安装于热端加热块(5)底部。
2.根据权利要求1所述的一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，其特征在于：所述打印头连接架(1)包括后连接架(11)及前连接架(12)；其中通过后连接架(11)和前连接架(12)将所述冷端散热块(2)前后卡合固定。
3.根据权利要求1所述的一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，其特征在于：所述喉管(3)为钛合金材质两端为外螺纹，用以连接冷端散热块(2)和热端加热块(5)；其中间部分为缩颈。
4.根据权利要求1所述的一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，其特征在于：所述半导体热泵(4)为单片状或者多片叠加，采用四片碲化铋为基体的三元固溶体合金半导体热泵，其中P型材料为Bi2Te3—Sb2Te3，N型材料为Bi2Te3—Bi2Se3。
5.根据权利要求1所述的一种空间环境增材制造高能量利用效率打印头，其特征在于：所述喷嘴(6)为钛合金材质。
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