CN116394513A - 一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统,包括自动换料盘装置耗材仓,主控中心与成形仓，其中主控中心控制系统的整体运行；耗材仓的内部设有第一料盘，第二料盘与第三料，所述成形仓上依次设有自动换料环、主送丝装置、感应加热喷头和基板；其中第一料盘上的第一线材依次经过第一线材续接装置和第一辅助送丝装置送入自动换料环；第二料盘的第二线材依次经过第二线材续接装置和第二辅助送丝装置送入自动换料环；第三料盘的第三线材依次经过第三线材续接装置、第三辅助送丝装置送入自动换料环。本发明为实现太空在轨制造装备的小型化与智能化，采用自动换料盘装置与线材续接装置，实现打印线材用尽后的自动换料与续接。
Description
技术领域
本发明涉及连续纤维增强复合材料空间增材制造技术领域，具体涉及一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统与方法。
背景技术
随着信息、材料、自动化、快速成型等技术的高速发展,特别是增材制造技术的进步,使太空制造技术取得突破性进展。与地面的环境相比，太空的长时微重力、强辐射、高真空、交变冷热循环等环境也给太空制造技术带来了新的科学问题，同时，太空制造装备也须满足高精度、低功耗、小型化、智能化等技术要求。
同时，与地面增材制造装备相比，在空间环境中，受到环境限制，热对流与热传导受到影响，传统热传递方式受到限制；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，本发明公开了一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统与方法，针对太空环境下微重力、高真空的特征，改进了增材制造系统的设计方案。
一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统,包括自动换料盘装置耗材仓,主控中心与成形仓，其中主控中心控制系统的整体运行；耗材仓的内部设有第一料盘，第二料盘与第三料，所述成形仓上依次设有自动换料环、主送丝装置、感应加热喷头和基板；其中第一料盘上的第一线材依次经过第一线材续接装置和第一辅助送丝装置送入自动换料环；第二料盘的第二线材依次经过第二线材续接装置和第二辅助送丝装置送入自动换料环；第三料盘的第三线材依次经过第三线材续接装置、第三辅助送丝装置送入自动换料环。
进一步的，所述自动换料环包括主环体,所述主环体上分别设有第一丝束过道，第二丝束过道和第三丝束过道；其中高密封转动轴承安装在主环体的中心端。
进一步的，其中第一线材续接装置、第二线材续接装置和第三线材续接装置结构形状一致，其中第一线材续接装置包括上模和下模；其中上模上设有第一加热棒和第一铠装热电偶；所述下模上设有第二铠装热电偶和第一加热棒。
进一步的，感应加热喷头的最上方为固定支架，连接管与固定支架直接相连，下方为热传递模块，热传递模块的下方为打印喷嘴。
进一步的，其中所述热传递模块上插有热电偶且外部绕有电磁感应加热线圈，同时热传递模块的内部存在封闭夹层，封闭夹层中充有大气或高热对流效率的气体。首先，为降低能耗，采用感应线圈进行感应加热，加热速度快，效率高。
针对太空中可能存在的高真空环境，真空中热量无法通过热对流传输，为提升加热效率，喷头内设有夹层，夹层中充有大气，热量在夹层位置可进行热传导传输，有利于热量传输效率的提升
一种面向太空在轨制造的多材料增材制造方法，包括以下步骤：
步骤1：耗材仓内部有第一料盘，第二料盘与第三料盘，当料盘内线材耗尽或需要更换时，自动换料盘装置进行自动换料，换料完成后第一线材续接装置，第二线材续接装置与第三线材续接装置自动触发，将更换后料盘上的线材与先前线材进行自动续接并继续打印，减少料盘更换后的人工干预；
步骤2：第一线材，第二线材，第三线材输送进成形仓后，分别通过第一辅助送丝装置，第二辅助送丝装置与第三辅助送丝装置并进一步向前输送；
步骤3：第一线材，第二线材，第三线材输送至自动换料环所在位置时，根据所需材料，自动换料环转动，将所需线材送至主送丝装置的正上方，同时所需线材对应的辅助送丝装置启动，将所需线材输送至主送丝装置位置处；
步骤4：切换材料时，外加电机带动高密封转动轴承转动，使对应丝束过道正对主送丝装置；这样就能切换材料换材料的方式是一个创新点，轴承盘上三个孔内放置有三种不同的材料，轴承盘转动可以切换喷头正上方的孔，输送不同的材料；多喷头存在增加重量，且多喷头加热浪费能耗。
步骤5：主送丝装置:启动，将线材输送至感应加热喷头内，此时感应加热喷头启动，对线材进行快速加热，同时线材输送并在基板上进行层层沉积，完成所需制件的成形。
进一步的，所用线材为纯树脂丝材或连续纤维丝材与短纤维增强复合丝材。
其中步骤1的续接方法是：在主控中心控制下，采用机械臂控制上、下模的合模，正常打印时，上下模分离，当需要续接线材时，机械臂将续接线材与剪断线材送至指定位置，然后中控系统控制、上下模进行加热，机械臂控制上下模合模，对热塑性线材进行续接，续接完成后，机械臂控制上下模分离，继续进行打印
本发明的有益效果：
1、为实现太空在轨制造装备的小型化与智能化，采用自动换料盘装置与线材续接装置，实现打印线材用尽后的自动换料与续接，减少了在太空环境下成形制件的人工干预。
2、针对空间在轨制造时的多材料成形需求，同时进一步减小设备体积与功耗，本发明采用自动换料环在成形过程种进行打印线材的快速切换，并采用单喷头进行打印，有效减少了设备重量与工作功耗。
3、针对太空环境的高真空特点，传统打印加热方式加热效率低，功耗大，本发明采用电磁感应加热的方式，可以实现打印过程的快速升温加热与低功耗稳定运行。同时为提高在高真空环境下的传热效率，
4、本发明采用的打印喷头的热传递模块中存在夹层，其中充有大气，有效提高了感应加热后的热传递效率并进一步降低了打印能耗。
附图说明
图1为面向太空在轨制造的多材料增材制造系统的系统布置图
图中：1自动换料盘装置，2第一料盘，3第二料盘，4耗材仓，5第一线材续接装置，6第二线材续接装置，7第二线材，8第二辅助送丝装置，9主控中心，10感应加热喷头，11成形仓，12基板，13主送丝装置，14自动换料环，15第一辅助送丝装置，16第三辅助送丝装置，17第一线材，18第三线材，19第三线材续接装置，20第三料盘；
图2为感应加热喷头的示意图，
图中：21固定支架，22热电偶，23打印喷嘴，24电磁感应加热线圈，25热传递模块，26连接管；
图3为自动换料环的截面图。
图中：27第一丝束过道，28主环体，29第二丝束过道，30第三丝束过道，31高密封转动轴承。
图4为第一续接装置的结构示意图；
图中：32-第一加热棒，33-第一铠装热电偶，34-剪断线材，35-第二铠装热电偶，36-第二加热棒，37-下模，38-续接线材，39-上模。
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。
如图1-4所示，一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，包括自动换料盘装置1，耗材仓4，主控中心9与成形仓11，其中主控中心9控制系统的整体运行。
耗材仓4内部有第一料盘2，第二料盘3与第三料盘20，当料盘内线材耗尽或需要更换时，自动换料盘装置1进行自动换料，换料完成后第一线材续接装置5，第二线材续接装置6与第三线材续接装置19自动触发，将更换后料盘上的线材与先前线材进行自动续接并继续打印，减少料盘更换后的人工干预。
第一线材17，第二线材7，第三线材18输送进成形仓11后，分别通过第一辅助送丝装置8，第二辅助送丝装置15与第三辅助送丝装置16并进一步向前输送。
进一步的，第一线材17，第二线材7，第三线材18输送至自动换料环14所在位置时，根据所需材料，自动换料环14转动，将所需线材送至主送丝装置13正上方，同时所需线材对应的辅助送丝装置启动，将所需线材输送至主送丝装置13位置处。
进一步的，自动换料环14由第一丝束过道27，主环体28，第二丝束过道29，第三丝束过道30，高密封转动轴承31，切换材料时，外接电机高密封转动轴承31转动，使对应丝束过道正对主送丝装置。
主送丝装置13启动，将线材输送至感应加热喷头10内，此时感应加热喷头10启动，对线材进行快速加热，同时线材输送并在基板12上进行层层沉积，完成所需制件的成形。感应加热喷头10的最上方为固定支架21，连接管26与固定支架21直接相连，下方为热传递模块25，热传递模块下方为打印喷嘴23。
由于感应加热喷头10上的热传递模块25上插有热电偶22，外部绕有电磁感应加热线圈24，同时热传递模块25内部存在封闭夹层，封闭夹层中充有大气，该结构可以改善真空环境下的热传递效率。
在本实施例中，所用线材可以为纯树脂丝材，也可以完成连续纤维丝材与短纤维增强复合丝材的挤出成形。
在本实施例中，采用感应加热的形式进行打印丝材的加热，与传统加热形式相比，加热速度更快，可在2s内将打印丝材加热至200℃以上，较传统打印时的加热棒加热形式的加热速度提升20倍以上，同时能量利用效率较高，有效了降低了增材制造设备的运行能耗。在操作时中如图4为例，
该机构在主控中心控制下，采用机械臂控制上、下模的合模，正常打印时，上下模分离，当需要续接线材时，机械臂将续接线材38与剪断线材34送至指定位置，然后中控系统控制上下模进行加热，机械臂控制上下模合模，对热塑性线材进行续接，续接完成后，机械臂控制上下模分离，继续进行打印。
在本实施例中，采用多材料切换，单喷嘴挤出的多材料打印形式，与多喷头多材料的打印形式相比，减少了喷头数量，提高了设备的有效成形空间，减少了设备重量，满足空间在轨成形设备的小型化、轻量化需求，减少了设备进入太空的发射载荷，同时，多喷头多材料打印时，需要对多个喷头进行加热，大大提高了空间在轨成形时设备的能量损耗，换用单喷头打印仅需对一个喷头进行加热，大大降低了设备的能耗。
在本实施例中，感应加热喷头中的热传递模块内部存在密闭夹层，其中充有大气，除大气外，还可以充入高热对流效率的气体。
在本实施例中，为降低设备整体重量，相关非承力件均采用尼龙注塑成形，满足空间在轨成形设备的轻量化需求，减少了设备进入太空的发射载荷。
在本实施例中，各送丝装置表面涂敷有高表面张力涂层，以提高在太空环境下线材与送丝装置表面的摩擦力，防止在太空环境下线材输送时打滑，有效输送线材，减少人工干预检修。
在本实施例中，本实施例中，基板12选用MIC6铝合金材质，在减少重量的同时大大降低了打印平台受热后的热变形，保证打印时平台的水平。
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 (8)
1.一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，包括自动换料盘装置(1)耗材仓(4)，主控中心(9)与成形仓(11)，其中主控中心(9)控制系统的整体运行；耗材仓(4)的内部设有第一料盘(2)，第二料盘(3)与第三料盘(20)，所述成形仓(11)上依次设有自动换料环(14)、主送丝装置(13)、感应加热喷头(10)和基板(12)；感应加热喷头(10)的最上方为固定支架(21)，连接管(26)与固定支架(21)直接相连，下方为热传递模块(25)，热传递模块(25)下方为打印喷嘴(23)。
2.根据权利要求1所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，其特征在于：其中第一料盘(2)上的第一线材(17)依次经过第一线材续接装置(5)和第一辅助送丝装置(15)送入自动换料环(14)；第二料盘(3)的第二线材(7)依次经过第二线材续接装置(6)和第二辅助送丝装置(8)送入自动换料环(14)；第三料盘(20)的第三线材(18)依次经过第三线材续接装置(19)、第三辅助送丝装置(16)送入自动换料环(14)。
3.根据权利要求2所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，其特征在于：其中第一线材续接装置(5)、第二线材续接装置(6)和第三线材续接装置(19)结构形状一致，其中第一线材续接装置(5)包括上模(39)和下模(37)；其中上模(39)上设有第一加热棒(32)和第一铠装热电偶(33)；所述下模(37)上设有第二铠装热电偶和第一加热棒(36)。
4.根据权利要求1所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，其特征在于：所述自动换料环(14)包括主环体(28),所述主环体(28)上分别设有第一丝束过道(27)，第二丝束过道(29)和第三丝束过道(30)；其中高密封转动轴承31安装在主环体(28)的中心端。
5.根据权利要求1所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统，其特征在于：其中所述热传递模块(25)上插有热电偶(22)且外部绕有电磁感应加热线圈(24)，同时热传递模块(25)的内部存在封闭夹层，封闭夹层中充有大气或高热对流效率的气体。
6.一种面向太空在轨制造的多材料增材制造方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：耗材仓内部有第一料盘，第二料盘与第三料盘，当料盘内线材耗尽或需要更换时，自动换料盘装置进行自动换料，换料完成后第一线材续接装置，第二线材续接装置与第三线材续接装置自动触发，将更换后料盘上的线材与先前线材进行自动续接并继续打印，减少料盘更换后的人工干预；
步骤2：第一线材，第二线材，第三线材输送进成形仓后，分别通过第一辅助送丝装置，第二辅助送丝装置与第三辅助送丝装置并进一步向前输送；
步骤3：第一线材，第二线材，第三线材输送至自动换料环所在位置时，根据所需材料，自动换料环转动，将所需线材送至主送丝装置的正上方，同时所需线材对应的辅助送丝装置启动，将所需线材输送至主送丝装置位置处；
步骤4：切换材料时，高密封转动轴承连接电机，通过电机带动其转动，使对应丝束过道正对主送丝装置；
步骤5：主送丝装置:启动，将线材输送至感应加热喷头内，此时感应加热喷头启动，对线材进行快速加热，同时线材输送并在基板上进行层层沉积，完成所需制件的成形。
7.根据权利要求6所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造方法，其特征在于：所用线材为纯树脂丝材或连续纤维丝材与短纤维增强复合丝材。
8.根据权利要求6所述的一种面向太空在轨制造的多材料增材制造方法，其特征在于：其中步骤1的续接方法是：在主控中心控制下，采用机械臂控制上、下模的合模，正常打印时，上下模分离，当需要续接线材时，机械臂将续接线材与剪断线材送至指定位置，然后中控系统控制、上下模进行加热，机械臂控制上下模合模，对热塑性线材进行续接，续接完成后，机械臂控制上下模分离，继续进行打印。
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| CN202310195113.0A Pending CN116394513A (zh) | 2023-03-03 | 2023-03-03 | 一种面向太空在轨制造的多材料增材制造系统与方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN116394513A (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104260328A (zh) * | 2014-09-05 | 2015-01-07 | 哈尔滨理工大学 | 一种电磁加热固化成型装置及使用其制备纤维缠绕复合材料管体的方法 |
| CN106827502A (zh) * | 2017-02-09 | 2017-06-13 | 北京卫星制造厂 | 一种基于涡流效应的3d打印机的打印头加热装置及其加热方法 |
| CN207954679U (zh) * | 2017-12-30 | 2018-10-12 | 杭州先临三维云打印技术有限公司 | 一种料丝自动续接装置及装有该装置的3d打印机 |
| CN112810134A (zh) * | 2021-02-22 | 2021-05-18 | 金晴宇 | 连续打印辅助切换装置及3d打印系统 |
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| CN216230790U (zh) * | 2021-11-15 | 2022-04-08 | 苏州科技大学 | 一种多色单通道3d打印装置 |
-
2023
- 2023-03-03 CN CN202310195113.0A patent/CN116394513A/zh active Pending
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