一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法，3D打印机包括多自由度机械手，多自由度机械手安放于基面中，多自由度机械手内部中装有应急蓄电池以及中央处理器，多自由度机械手外部连接有高储能介质热量收集器，多自由度机械手与太空3D打印头相连，高储能介质热量收集器通过导管与太空3D打印头连接，太空3D打印头外部附着曲面扫描识别装置，曲面扫描识别装置与中央处理器连接，太空3D打印头保证了太空3D打印的可实施性，利用高储能介质热量收集器、微流道与导管进行能量的收集、利用与控制，采用多自由度机械手与曲面扫描识别装置，以任意角度和任意运动轨迹在基面上进行3D打印，实现了太空3D打印的灵活性。
【技术实现步骤摘要】
一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法
本专利技术涉及太空3D打印
，具体涉及一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法。
技术介绍
随着宇航技术的发展，人类对于远空探索、建立空间站、建设外星球基地乃至星球移民的科技梦想越来越接近于现实。但是，由于宇航器运输货物上行至外太空的高昂成本，以及向太空深处运输的不可行性，这些太空探索梦想的实现就在很大程度上需要依赖着太空制造技术的发展。如何实现在复杂的太空环境下进行在轨制造，以及进行在轨修复，从而获得探索太空过程中所需的工具与装备，以及应对紧急突发情况，是太空探索成败与否的关键。目前，我国正处于宇航技术全面发展的关键时期，具备太空制造技术与能力至关重要，然而，由于空间环境的特殊性，如大温差、高真空和强辐射等，对太空制造技术有着极大的限制。3D打印技术，尤其是熔融沉积成型3D打印技术是指材料在喷头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，然后再通过层层累加方法快速制造出所需零件的一种先进制造方法，其采用的材料一般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。目前，由于该技术具有可制造任意复杂零件，拥有较好的打印自由度，对于热塑性材料的适用度广以及结构简单、成本低廉等优点，在工业生产及日常生活中越来越具有实际应用价值。由此可见，3D打印技术可以很好地作为太空制造技术发展的一个选择，然而，目前的3D打印方法在太空条件下还有如下几个瓶颈问题：1)目前的3D打印方法尚无考虑到太空的复杂环境，如大温差、高真空和强辐射等，因此，不能保证其在这样的条件下能够顺利工作；2)现有的3D打印方法拥有的自由度较少，难以满足在太空中进行灵活打印，从而能够高效、可靠地制造出任意复杂的零件；3)现有的3D打印方法暂时无法实现实时的曲面识别，以及零件的智能修复打印，难以满足紧急情况下的零件修复工作。
技术实现思路
为了克服上述现有3D打印方法的缺点，本专利技术的目的在于提供一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法，3D打印机能够在太空高真空、大温差、强辐射的太空复杂环境下进行3D打印工作。为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括多自由度机械手2，多自由度机械手2一端安放于基面1中，基面1是宇航平台表面或外星球地面，多自由度机械手2内部装有应急蓄电池10以及与应急蓄电池10连接的中央处理器9，多自由度机械手2外部连接有高储能介质热量收集器4，多自由度机械手2另一端与太空3D打印头3相连，高储能介质热量收集器4能够吸收恒星辐射能5，高储能介质热量收集器4通过导管6与太空3D打印头3连接，将收集到的热量传输给太空3D打印头3，太空3D打印头3外部附着曲面扫描识别装置7，曲面扫描识别装置7通过数据线8与中央处理器9连接；所述太空3D打印头3包括打印头外壳11，打印头外壳11中均匀分布有微流道14，微流道14入口与导管6连通，微流道14出口和柔性涂刷15内孔道连通，柔性涂刷15上部附着于打印头外壳11下，下部直接与基面1接触，打印头外壳11内部与打印头熔融腔13之间设有气体交换层12，热塑性丝材18进入到打印头熔融腔13内融化，并从打印头熔融腔13前端的打印头前孔17挤出。所述的面向太空复杂环境的多自由度3D打印机的打印方法，包括下列步骤：1)首先，曲面扫描识别装置7在基面1上进行对于其表面的扫描识别，并通过数据线8将获得的数据传输到中央处理器9中，中央处理器9根据接收到的数据以及原先内置的模型数据，进行三维模型的重新建立与打印路径的生成，并将控制信号发送到多自由度机械手2与太空3D打印头3上；2)多自由度机械手2根据接收到的控制信息，带动太空3D打印头3在基面1上按照打印路径进行多自由度的运动，同时，一直在接收恒星辐射能5的高储能介质热量收集器4，通过导管6将热量供给太空3D打印头3，保证其温度稳定在略高于热塑性丝材18熔点的温度上；3)在太空3D打印头3中，微流道14将导管6导入的热量用来进行太空3D打印头3的加热和维持打印头微环境温度的稳定，同时，柔性涂刷15内孔道通过微流道14导入的热量加热柔性涂刷15；4)随着多自由度机械手2的运动，柔性涂刷15清理并预热基面1，并且，热塑性丝材18根据控制信息进入到打印头熔融腔13内，被加热成熔融热塑性材料16，并从打印头前孔17挤出，期间材料熔融时所产生气体通过气体交换层12排出；5)被挤出的材料附着在基面1上，并根据控制信息与模型数据，逐渐累积成所需的模型，从而完成打印或是修复工作，存储电能的应急蓄电池10在紧急断电或没有恒星辐射能5的情况下，给多自由度机械手2与太空3D打印头3供电供能，以保证3D打印工作的顺利进行。本专利技术的优点：本专利技术考虑到了主要的太空复杂环境，采用集表面清理、表面预热、辐射屏蔽、熔融气体安全处理与零件后处理功能于一体的功能复合型太空3D打印头3，保证了太空3D打印的可实施性；同时，利用高储能介质热量收集器4、微流道14与导管6，进行能量的收集、利用与控制；并且采用多自由度机械手2与曲面扫描识别装置7，从而可以以任意角度和任意运动轨迹在基面1上进行3D打印，实现了太空3D打印的灵活性，以及加强了针对任意复杂结构零件的制造与修复能力。附图说明图1是本专利技术太空3D打印机的结构示意图。图2是本专利技术太空3D打印头3的结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。参照图1，一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括多自由度机械手2，多自由度机械手2一端安放于基面1中，基面1是宇航平台表面或外星球地面，多自由度机械手2内部中装有应急蓄电池10以及与应急蓄电池10连接的中央处理器9，多自由度机械手2外部连接有高储能介质热量收集器4，多自由度机械手2另一端与太空3D打印头3相连，高储能介质热量收集器4能够吸收恒星辐射能5，高储能介质热量收集器4通过导管6与太空3D打印头3连接，将收集到的热量传输给太空3D打印头3，太空3D打印头3外部附着曲面扫描识别装置7，曲面扫描识别装置7通过数据线8与中央处理器9连接；参照图2，所述太空3D打印头3包括打印头外壳11，打印头外壳11中均匀分布有微流道14，微流道14入口与导管6连通，微流道14出口和柔性涂刷15内孔道连通，柔性涂刷15上部附着于打印头外壳11下，下部直接与基面1接触，打印头外壳11内部与打印头熔融腔13之间设有气体交换层12，热塑性丝材18进入到打印头熔融腔13内融化，并从打印头熔融腔13前端的打印头前孔17挤出。所述的面向太空复杂环境的多自由度3D打印机的打印方法，包括下列步骤：1)首先，曲面扫描识别装置7在基面1上进行对于其表面的扫描识别，并通过数据线8将获得的数据传输到中央处理器9中，中央处理器9根据接收到的数据以及原先内置的模型数据，进行三维模型的重新建立与打印路径的生成，并将控制信号发送到多自由度机械手2与太空3D打印头3上；2)多自由度机械手2根据接收到的控制信息，带动太空3D打印头3在基面1上按照打印路径进行多自由度的运动，同时，一直在接收恒星辐射能5的高储能介质热量收集器4，通过导管6将热量供给太空3本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括多自由度机械手(2)，其特征在于：多自由度机械手(2)一端安放于基面(1)中，基面(1)是宇航平台表面或外星球地面，多自由度机械手(2)内部中装有应急蓄电池(10)以及与蓄电池(10)连接的中央处理器(9)，多自由度机械手(2)外部连接有高储能介质热量收集器(4)，多自由度机械手(2)另一端与太空3D打印头(3)相连，高储能介质热量收集器(4)能够吸收恒星辐射能(5)，高储能介质热量收集器(4)通过导管(6)与太空3D打印头(3)连接，将收集到的热量传输给太空3D打印头(3)，太空3D打印头(3)外部附着曲面扫描识别装置(7)，曲面扫描识别装置(7)通过数据线(8)与中央处理器(9)连接；所述太空3D打印头(3)包括打印头外壳(11)，打印头外壳(11)中均匀分布有微流道(14)，微流道(14)入口与导管(6)连通，微流道(14)出口和柔性涂刷(15)内孔道连通，柔性涂刷(15)上部附着于打印头外壳(11)下，下部直接与基面(1)接触，打印头外壳(11)内部与打印头熔融腔(13)之间设有气体交换层(12)，热塑性丝材(18)进入到打印头熔融腔(13)内融化，并从打印头熔融腔(13)前端的打印头前孔(17)挤出。...
【技术特征摘要】
1.一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括多自由度机械手(2)，其特征在于：多自由度机械手(2)一端安放于基面(1)中，基面(1)是宇航平台表面或外星球地面，多自由度机械手(2)内部中装有应急蓄电池(10)以及与应急蓄电池(10)连接的中央处理器(9)，多自由度机械手(2)外部连接有高储能介质热量收集器(4)，多自由度机械手(2)另一端与太空3D打印头(3)相连，高储能介质热量收集器(4)能够吸收恒星辐射能(5)，高储能介质热量收集器(4)通过导管(6)与太空3D打印头(3)连接，将收集到的热量传输给太空3D打印头(3)，太空3D打印头(3)外部附着曲面扫描识别装置(7)，曲面扫描识别装置(7)通过数据线(8)与中央处理器(9)连接；所述太空3D打印头(3)包括打印头外壳(11)，打印头外壳(11)中均匀分布有微流道(14)，微流道(14)入口与导管(6)连通，微流道(14)出口和柔性涂刷(15)内孔道连通，柔性涂刷(15)上部附着于打印头外壳(11)下，下部直接与基面(1)接触，打印头外壳(11)内部与打印头熔融腔(13)之间设有气体交换层(12)，热塑性丝材(18)进入到打印头熔融腔(13)内融化，并从打印头熔融腔(13)前端的打印头前孔(17)挤出。2.根据权利要求1所述的面向太空复杂环境的多自由度3D打印机的打印方法，包括下列步骤：1)首先，曲面扫描识别装置(7)在基面(1)上进行对于其表面的...
【专利技术属性】
技术研发人员：田小永，杨春成，刘腾飞，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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