CN116587597A - 一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法，属于外星基地建材制造技术领域。本发明公开的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，本设备采用太阳能聚焦光纤传输系统可实现太阳能的高效利用，避免了能源转换造成的资源浪费，极大降低了外星基地原位制造材料运输成本；另外，相比于已有报道的熔丝挤出系统，本设备采用的太阳能聚焦光纤传输系统结合熔融挤出系统、运动控制系统等的熔滴制备系统，可实现无添加剂的外星壤的原位制造，避免了原材料由粉末转丝材、棒材等处理步骤，本设备可实现多种类外星壤的高效、高精度、低成本增材制造。
Description
技术领域
本发明属于外星基地建材制造技术领域，具体涉及一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法。
背景技术
建立外星系科研站，将是开发利用外太空资源、开展科学探测、实现深空探测技术跨越发展、同时服务于载人探测外星系的重要途径。原位资源利用，是指收集和处理人类(或机器人)在太空探索过程中发现的当地资源，以最大程度的减少太空探索对地球的依赖。从成本测算、星系壤探测、组分的研究结果来看，原位资源利用技术在经济、资源、技术上具有的高度的可持续性和可实现性。基于外星壤的原位资源利用技术，将为后续科研站等更大规模深空探测任务提供技术和工程支撑。
国内外研究主要集中于结合粘接剂、固化剂的月壤、火星壤增材制造技术，然而高成本的原料运输是制约这类技术发展的主要瓶颈。因此，无粘接剂的原位资源利用技术对于外星系建造的可持续发展具有重要意义，采用电热、激光、微波等能源对外星壤高温固结的方式降低了能源利用率，同时增加了装备复杂性，而通过太阳能直接熔融或烧结外星壤，则具有能量易于获取、装备易于集成等技术优势。
由于月球、火星都属于高真空、低重力、高辐射环境，以粉床为基础的增材制造技术面临粉末静电、易扬尘等棘手问题，使得粉末在运输铺展过程中难以铺平，同时打印完毕的零件在取件过程中也会产生月尘污染等问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法，用于解决现有的外星壤原位制造技术存在资源浪费、处理过程复杂等技术问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明公开了一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，包括熔融挤出系统、运动控制系统、打印基板、太阳能聚焦光纤传输系统；所述熔融挤出系统位于打印基板的正上方；所述运动控制系统分别与打印基板和熔融挤出系统连接，控制熔融挤出系统在X轴和Y轴方向运动，并控制打印基板在Z方向运动；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束汇聚于熔融挤出系统为外星壤熔融、预热打印基板及层间加热提供热量。
进一步地，所述熔融挤出系统包括直线电机、撞针、用于储存筛分过的待打印用的外星壤的料仓、连接段、挤出头和进料口和熔融区；所述直线电机固定在料仓的顶部；所述所述进料口设置在料仓的上部；料仓的下部连接熔融区，所述挤出头设置在熔融区下方，与熔融区相连；所述连接段位于料仓和熔融区之间，用于阻隔熔融区对料仓的热传导；所述撞针设置在料仓内部，所述撞针的一端和直线电机连接，所述撞针的另一端通过直线电机的控制将外星壤送入熔融区。
进一步地，所述熔融区包括单光束熔融仓、敞口侧壁、单光束熔融流出口和单光束熔融承烧面；所述单光束熔融仓与连接段连接，所述敞口侧壁设置在单光束熔融仓的一侧面；所述单光束熔融承烧面设置在单光束熔融仓的底部，所述单光束熔融流出口设置在单光束熔融仓底部单光束熔融承烧面的一侧，所述挤出头设置在单光束熔融流出口的下方；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于敞口侧壁，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头处。
进一步地，所述熔融区包括多光束熔融仓、排气口、多光束熔融承烧面、多光束熔融流出口和底板；所述多光束熔融仓与连接段连接，所述多光束熔融承烧面设置在多光束熔融仓的底部；所述排气口均匀分布在多光束熔融仓的多光束熔融承烧面上部；所述多光束熔融流出口设置在多光束熔融仓底部多光束熔融承烧面的一侧；所述挤出头设置在多光束熔融流出口下方；
所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于多光束熔融仓的外部，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头处。
进一步地，所述太阳能聚焦光纤传输系统包括太阳能收集装置、光纤入口、传输光纤、可调节遮光光圈和光纤出口；所述太阳能收集装置；所述太阳能收集装置通过光纤入口分别和若干并联的传输光纤的一端连接；所述若干个传输光纤的另一端和一个光纤出口连接；所述可调节遮光光圈设置在光纤出口处，用于调节太阳能光强。
进一步地，一个光纤出口置于敞口侧壁处，将聚集后的一部分太阳能束汇聚于敞口侧壁；剩余的光纤出口置于挤出头处，用于将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头处。
进一步地，所述若干个光纤出口置于多光束熔融仓的外部，用于将聚集后的一部分太阳能束汇聚于多光束熔融仓的外部；剩余的光纤出口置于挤出头处，用于将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头处。
进一步地，所述打印基板的为多层结构，所述多层结构从上到下依次为石墨层、气凝胶层和多孔陶瓷层；所述多孔陶瓷层的材料为氧化铝或莫来石。
所述打印基板和熔融挤出系统的外部、太阳能聚焦光纤传输系统为外星壤熔融和预热打印基板及层间加热提供热量的区域包覆有保温层；所述保温层包括多层保温结构和可折叠隔热裙；所述多层保温结构和可折叠隔热裙相互连接；
所述多层保温结构的侧壁的材料为钛合金板材，所述侧壁内填充有外星壤；所述钛合金板材的外表面镀有提升隔热保温性能的镀层；
所述运动控制系统包括X轴运动导向系统、Y轴运动导向系统和Z轴运动导向系统，所述X轴运动导向系统、Y轴运动导向系统和Z轴运动导向系统之间构成笛卡尔坐标系；所述X轴运动导向系统和Y轴运动导向系统与熔融挤出系统连接，控制熔融挤出系统在X轴和Y轴方向运动；所述Z轴运动导向系统与打印基板连接，控制打印基板在Z方向运动。
本发明还公开了上述外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的使用方法，包括以下步骤：
S1：对外星壤进行过筛处理，得到筛分过的待打印用的外星壤，并放入熔融挤出系统内；
S2：采用太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束汇聚于熔融挤出系统为外星壤熔融，使得汇聚于熔融挤出系统的太阳能束的温度超过外星壤熔融温度的80％-95％；
同时，采用太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束预热打印基板，结合运动控制系统，使得太阳能束以一定间隙照射打印基板，并按照一定轨迹均匀扫略打印基板，最终使得打印基板的温度在外星壤熔融温度的15％-25％；
S3：开始送料，随后在熔融区熔融，将熔融后的外星壤从挤出系统内挤出，开始落料；根据预设的设置运动控制系统的运动路径及速度，并带动熔融挤出系统运动，采用太阳能聚焦光纤传输系统对打印基板或已经打印的挤出层进行二次加热，熔融外星壤连续挤出至二次加热后的区域，打印完一层后，运动控制系统带动打印基板向下移动一层，实现逐层叠加打印。
进一步地，所述熔融挤出系统包括直线电机、撞针、用于储存筛分过的待打印用的外星壤的料仓、连接段、挤出头和进料口和熔融区；
所述太阳能聚焦光纤传输系统包括太阳能收集装置、光纤入口、传输光纤、可调节遮光光圈和光纤出口；
S1中，对外星壤进行过筛处理，获取粒径小于500um的粉体，得到筛分过的待打印用的外星壤，并从进料口放入料仓内，
S2中，采用光纤出口聚集后的太阳能束汇聚于熔融区；
S3中，采用直线电机带动撞针进行垂直方向的往复运动，将料仓内5-10g的外星壤按照1～3次/分钟频次向熔融区下落进行送料，经过太阳能束的照射，熔融后的外星壤从挤出头内挤出，开始落料；
当熔融后的外星壤在表面张力的作用下，无法从挤出头挤出时，当熔融后的外星壤达到50～100g后，挤出头开始挤出；
所述运动控制系统的速度为0.1～10mm/s。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公开了一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，本设备采用太阳能聚焦光纤传输系统可实现太阳能的高效利用，避免了能源转换造成的资源浪费，极大降低了外星基地原位制造材料运输成本；另外，相比于已有报道的熔丝挤出系统，本设备采用的太阳能聚焦光纤传输系统结合熔融挤出系统、运动控制系统等的熔滴制备系统，可实现无添加剂的外星壤的原位制造，避免了原材料由粉末转丝材、棒材等处理步骤；本设备可实现多种类外星壤的高效、高精度、低成本增材制造。
进一步地，以熔融挤出为原理的增材制造技术往往面临层间结合性差等问题，为提升层间结合性，采用太阳光束二次照射方式实现已打印层温度的升高，通过调节太阳光束强度保证温度升温至熔融温度的80％-90％之间，通过红外热成像仪进行打印区域温度监控，当过热时采用可调节遮光光圈进行太阳能光束的调节与遮挡。
进一步地，由于天然外星壤粉体流动性差，较为松散，以月壤为例其天然密度约在1.7g/cm3，熔融后月壤密度约为2.6g/cm3，熔融前后其体积发生较大的收缩与塌陷，同时熔融过程中即使在真空条件下也会有气体产生，因此原位的熔融工艺(如粉末床熔覆、送粉式熔覆)会造成零件内部产生较多孔隙，本方案采用的熔融挤出工艺在熔融区留有排气孔，并经过熔融流动及挤压使得熔融体内部气泡充分排出，最终得到的零件内部致密；相比于烧结工艺，本方案得到的零件致密度高，表面光洁，力学性能更优异。
本发明还公开了上述外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的制备方法，采用本方案具避免了送粉难、铺粉难等问题，同时相比于粉床工艺对粉末粒径及球形度的高要求，本方案对原料的粒径及形状要求较低，在原料筛分过程中仅需要通过一步筛分，将大于500um的粉体粒径筛除即可；相比于已有报道的粉床熔覆/烧结外星壤。
附图说明
图1为本发明的外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的结构示意图；
图2为本发明的单光束熔融挤出系统的结构示意图；
图3为本发明的多光束熔融挤出系统的结构示意图；
图4为本发明保温层的结构示意图；
其中：1-熔融挤出系统；111-直线电机；112-撞针；113-料仓；114-连接段；115-单光束熔融仓；116-挤出头；117-进料口；1151-敞口侧壁；1152-单光束熔融流出口；1153-单光束熔融承烧面；125-多光束熔融仓；1251-排气口；1252-多光束熔融承烧面；1253-多光束熔融流出口；1254-底板；21-X轴运动导向系统；22-Y轴运动导向系统；23-Z轴运动导向系统；3-打印基板；31-石墨层；32-气凝胶层；33-多孔陶瓷层；41-太阳能收集装置；42-光纤入口；43-传输光纤；44-可调节遮光光圈；45-光纤出口；5-保温层；51-多层保温结构；52-可折叠隔热裙；511-钛合金板材；512-镀层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1所示，本发明公开了一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，包括熔融挤出系统1、运动控制系统、打印基板3、太阳能聚焦光纤传输系统和保温层5；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束通过传输光纤43一部分汇聚于熔融挤出系统1的熔融区，另一部分通过传输光纤43固定于熔融挤出系统1的挤出头116的一侧，为外星壤熔融和预热打印基板3及层间加热提供热量；其中，熔融挤出系统1受运动控制系统的控制保持挤出头116相对于打印基板3产生平面方向运动，打印基板3受运动控制系统的控制使得其产生垂直方向运动，保温层5将熔融挤出系统1和打印区域包围；其中，运动控制系统中的X轴运动导向系统21和Y轴运动导向系统22与熔融挤出系统1连接，控制熔融挤出系统1在X轴和Y轴方向运动；所述Z轴运动导向系统23与打印基板3连接，控制打印基板3在Z方向运动；所述X向导向系统位于Y导向系统正上方，XYZ三个导向系统构成笛卡尔坐标系，各自由电机单独驱动，可独立运动，也可以协调联动；
进一步的，所述太阳能聚焦光纤传输系统由太阳能收集装置41、光纤入口42、传输光纤43、可调节遮光光圈44和光纤出口45组成，所述太阳能收集装置41可以为菲涅尔透镜或者金属反射镜，所述光纤入口41用于接收聚焦后的太阳能，所述传输光纤43分为两个或两个以上分支，所述可调节遮光光圈44用于调节光纤传输出的太阳能光强，并保证多个光纤强度调节相互独立，所述光纤出口45可以有两个及两个以上；所述太阳能收集装置41通过光纤入口42分别和若干并联的传输光纤43的一端连接；所述若干个传输光纤43的另一端和一个光纤出口45连接；所述可调节遮光光圈44设置在光纤出口45处，用于调节光纤传输出的太阳能光强；在熔融挤出系统1的挤出头一侧部有一个光纤出口45，剩余的光纤出口45用于照射熔融挤出系统1的熔融段。
进一步地，熔融挤出系统1的类型包括单光束熔融挤出系统或者多光束熔融挤出系统两种类型，区别在于熔融挤出系统1中的熔融区的组成不同；
如图2所示，当为单光束熔融挤出系统时，包括直线电机111、撞针112、用于储存筛分过的待打印用的外星壤的料仓113、连接段114、挤出头116和进料口117和熔融区；所述熔融区包括单光束熔融仓115、敞口侧壁1151、单光束熔融流出口1152和单光束熔融承烧面1153；所述直线电机111固定在料仓113的顶部；所述料仓113的下部连接熔融区，所述挤出头116设置在熔融区下方，与熔融区相连；所述连接段114位于料仓113和熔融区之间，用于阻隔熔融区对直线电机111、撞针112、料仓113等的热传导，避免造成过热；所述撞针112设置在料仓113内部，所述撞针12的一端和直线电机111连接，所述撞针112的另一端通过直线电机111的控制将外星壤送入熔融区，直线电机111带动撞针112进行垂直方向的往复运动，按照1～3次/分钟频次下落进行送料；所述单光束熔融承烧面1153设置在单光束熔融仓115的底部，所述单光束熔融流出口1152设置在单光束熔融仓115底部单光束熔融承烧面1153的一侧，所述挤出头116设置在单光束熔融流出口1152的下方；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于敞口侧壁1151，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头116处。
如图3所示，当为单光束熔融挤出系统时，所述熔融区包括多光束熔融仓125、排气口1251、多光束熔融承烧面1252、多光束熔融流出口1253和底板1254；所述多光束熔融仓125与连接段114连接，所述多光束熔融承烧面1252设置在多光束熔融仓125的底部；所述排气口1251均匀分布在多光束熔融仓125的多光束熔融承烧面1252上部；所述多光束熔融流出口1253设置在多光束熔融仓125底部多光束熔融承烧面1252的一侧；所述挤出头116设置在多光束熔融流出口1253下方；
所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于多光束熔融仓125的外部，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头116处。
进一步地，所述打印基板3为多层结构，上层为石墨层31，中层为气凝胶层32，下层为多孔陶瓷层33，所述多孔陶瓷层为氧化铝或莫来石材质。
进一步地，如图4所示，所述保温层5由多层保温结构51和可折叠隔热裙52构成，保温结构两侧为钛合金板材511，中间由外星壤进行填充，钛合金表层由镀层512提升隔热保温性能；由于天然外星壤导热系数极低，可以作为隔热保温介质，因此将设备运送至外星系后，再将外星壤填充至中间保温层，可减少整体装备的运输成本。
上述外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的使用方法，包括以下步骤：
将太阳能光进行聚焦，聚焦后的太阳能以光纤进行传输，光纤束分为两部分，一部分光纤束将太阳能光束传至熔融区，用于熔融外星壤，另一部分光纤束将太阳能光束传至挤出头附近，用于预热基板及层间加热。筛分后的外星壤由定量落粉机构落至熔融区，经高温融化后，沿倾斜壁面落入至挤出头，当熔融后的粘性流体累积至一定量后，在重力作用下从挤出头流出，并实现逐层叠加。
进一步地，上述步骤具体为：
步骤一：材料简易筛分并收集：对外星壤进行过筛处理，获取粒径小于500um的粉体，得到筛分过的待打印用的外星壤，并从进料口117放入料仓113内；
步骤二：预热：采用光纤出口45聚集后的太阳能束对敞口侧壁1151或多光束熔融仓125进行加热，使得壁面温度超过外星壤熔融温度的80％-95％；同时，采用聚集后的太阳能束对打印基板3进行预热，为保证均匀预热，需要结合运动控制系统使得太阳能束以一定间隙照射打印基板3，并按照一定轨迹均匀扫略打印基板3，最终使得打印基板3的温度在外星壤熔融温度的15％-25％之间；
步骤三：落料熔融挤出：采用直线电机111带动撞针112进行垂直方向的往复运动，将料仓113内5-10g的外星壤按照1～3次/分钟频次向熔融区下落进行送料，经过太阳能束的照射，熔融后的外星壤从挤出头116内挤出，开始落料；当熔融后的外星壤在表面张力的作用下，无法从挤出头挤出时，当熔融后的外星壤达到50～100g后，挤出头1开始挤出；
步骤四：分层制造：设置运动控制系统的运动路径及速度(0.1～10mm/s)，并带动熔融挤出系统1运动，采用太阳能聚焦光纤传输系统对打印基板3或已经打印的挤出层进行二次加热，熔融外星壤连续挤出至二次加热后的区域，打印完一层后，运动控制系统带动打印基板3向下移动一层，实现逐层叠加打印；
步骤五：取出零件并后处理。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，包括熔融挤出系统(1)、运动控制系统、打印基板(3)、太阳能聚焦光纤传输系统；所述熔融挤出系统(1)位于打印基板(3)的正上方；所述运动控制系统分别与打印基板(3)和熔融挤出系统(1)连接，控制熔融挤出系统(1)在X轴和Y轴方向运动，并控制打印基板(3)在Z方向运动；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束汇聚于熔融挤出系统(1)，为外星壤熔融、预热打印基板(3)及层间加热提供热量。
2.根据权利要求1所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述熔融挤出系统(1)包括直线电机(111)、撞针(112)、用于储存筛分过的待打印用的外星壤的料仓(113)、连接段(114)、挤出头(116)和进料口(117)和熔融区；所述直线电机(111)固定在料仓(113)的顶部；所述所述进料口(117)设置在料仓(113)的上部；料仓(113)的下部连接熔融区，所述挤出头(116)设置在熔融区下方，与熔融区相连；所述连接段(114)位于料仓(113)和熔融区之间，用于阻隔熔融区对料仓(113)的热传导；所述撞针(112)设置在料仓(113)内部，所述撞针(12)的一端和直线电机(111)连接，所述撞针(112)的另一端通过直线电机(111)的控制将外星壤送入熔融区。
3.根据权利要求2所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述熔融区包括单光束熔融仓(115)、敞口侧壁(1151)、单光束熔融流出口(1152)和单光束熔融承烧面(1153)；所述单光束熔融仓(115)与连接段(114)连接，所述敞口侧壁(1151)设置在单光束熔融仓(115)的一侧面；所述单光束熔融承烧面(1153)设置在单光束熔融仓(115)的底部，所述单光束熔融流出口(1152)设置在单光束熔融仓(115)底部单光束熔融承烧面(1153)的一侧，所述挤出头(116)设置在单光束熔融流出口(1152)的下方；所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于敞口侧壁(1151)，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头(116)处。
4.根据权利要求3所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述熔融区包括多光束熔融仓(125)、排气口(1251)、多光束熔融承烧面(1252)、多光束熔融流出口(1253)和底板(1254)；所述多光束熔融仓(125)与连接段(114)连接，所述多光束熔融承烧面(1252)设置在多光束熔融仓(125)的底部；所述排气口(1251)均匀分布在多光束熔融仓(125)的多光束熔融承烧面(1252)上部；所述多光束熔融流出口(1253)设置在多光束熔融仓(125)底部多光束熔融承烧面(1252)的一侧；所述挤出头(116)设置在多光束熔融流出口(1253)下方；
所述太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的一部分太阳能束汇聚于多光束熔融仓(125)的外部，将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头(116)处。
5.根据权利要求4所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述太阳能聚焦光纤传输系统包括太阳能收集装置(41)、光纤入口(42)、传输光纤(43)、可调节遮光光圈(44)和光纤出口(45)；所述太阳能收集装置(41)；所述太阳能收集装置(41)通过光纤入口(42)分别和若干并联的传输光纤(43)的一端连接；所述若干个传输光纤(43)的另一端和一个光纤出口(45)连接；所述可调节遮光光圈(44)设置在光纤出口(45)处，用于调节太阳能光强。
6.根据权利要求5所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，一个光纤出口(45)置于敞口侧壁(1151)处，将聚集后的一部分太阳能束汇聚于敞口侧壁(1151)；剩余的光纤出口(45)置于挤出头(116)处，用于将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头(116)处。
7.根据权利要求5所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述若干个光纤出口(45)置于多光束熔融仓(125)的外部，用于将聚集后的一部分太阳能束汇聚于多光束熔融仓(125)的外部；剩余的光纤出口(45)置于挤出头(116)处，用于将聚集后的另一部分太阳能束汇聚于挤出头(116)处。
8.根据权利要求7所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备，其特征在于，所述打印基板(3)为多层结构，所述多层结构从上到下依次为石墨层(31)、气凝胶层(32)和多孔陶瓷层(33)；所述多孔陶瓷层(33)的材料为氧化铝或莫来石；
所述打印基板(3)和熔融挤出系统(1)的外部、太阳能聚焦光纤传输系统为外星壤熔融和预热打印基板(3)及层间加热提供热量的区域包覆有保温层(5)；所述保温层(5)包括多层保温结构(51)和可折叠隔热裙(52)；所述多层保温结构(51)和可折叠隔热裙(52)相互连接；
所述多层保温结构(51)的侧壁的材料为钛合金板材(511)，所述侧壁内填充有外星壤；所述钛合金板材(511)的外表面镀有提升隔热保温性能的镀层(512)；
所述运动控制系统包括X轴运动导向系统(21)、Y轴运动导向系统(22)和Z轴运动导向系统(23)，所述X轴运动导向系统(21)、Y轴运动导向系统(22)和Z轴运动导向系统(23)之间构成笛卡尔坐标系；所述X轴运动导向系统(21)和Y轴运动导向系统(22)与熔融挤出系统(1)连接，控制熔融挤出系统(1)在X轴和Y轴方向运动；所述Z轴运动导向系统(23)与打印基板(3)连接，控制打印基板(3)在Z方向运动。
9.权利要求1所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对外星壤进行过筛处理，得到筛分过的待打印用的外星壤，并放入熔融挤出系统(1)内；
S2：采用太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束汇聚于熔融挤出系统(1)为外星壤熔融，使得汇聚于熔融挤出系统(1)的太阳能束的温度超过外星壤熔融温度的80％-95％；
同时，采用太阳能聚焦光纤传输系统将聚集后的太阳能束预热打印基板(3)，结合运动控制系统，使得太阳能束以一定间隙照射打印基板(3)，并按照一定轨迹均匀扫略打印基板(3)，最终使得打印基板(3)的温度在外星壤熔融温度的15％-25％；
S3：开始送料，随后在熔融区熔融，将熔融后的外星壤从挤出系统(1)内挤出，开始落料；根据预先设置的运动控制系统的运动路径及速度，并带动熔融挤出系统(1)运动，采用太阳能聚焦光纤传输系统对打印基板(3)或已经打印的挤出层进行二次加热，熔融外星壤连续挤出至二次加热后的区域，打印完一层后，运动控制系统带动打印基板(3)向下移动一层，实现逐层叠加打印。
10.根据权利要求9所述的一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备的使用方法，其特征在于，所述熔融挤出系统(1)包括直线电机(111)、撞针(112)、用于储存筛分过的待打印用的外星壤的料仓(113)、连接段(114)、挤出头(116)和进料口(117)和熔融区；
所述太阳能聚焦光纤传输系统包括太阳能收集装置(41)、光纤入口(42)、传输光纤(43)、可调节遮光光圈(44)和光纤出口(45)；
S1中，对外星壤进行过筛处理，获取粒径小于500um的粉体，得到筛分过的待打印用的外星壤，并从进料口(117)放入料仓(113)内；
S2中，采用光纤出口(45)聚集后的太阳能束汇聚于熔融区；
S3中，采用直线电机(111)带动撞针(112)进行垂直方向的往复运动，将料仓(113)内5-10g的外星壤按照1～3次/分钟频次向熔融区下落进行送料，经过太阳能束的照射，熔融后的外星壤从挤出头(116)内挤出，开始落料；
当熔融后的外星壤在表面张力的作用下，无法从挤出头挤出时，当熔融后的外星壤达到50～100g后，挤出头(116)开始挤出；
所述运动控制系统的速度为0.1～10mm/s。
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- 2023-05-25 CN CN202310603576.6A patent/CN116587597B/zh active Active
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