面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，属于太空增材制造领域。该装置通过月球表面原位资源的抓取和筛分单元月壤和月尘等表面颗粒材料进行获取和筛分；通过喷墨成形3D打印成形单元，利用筛分出的颗粒材料进行3D打印，适用于月球表面的微重力真空环境以及未来月球基地大型构件的3D打印制造。本发明专利技术由于直接利用月球表面原位资源作为打印耗材，无需通过太空运输的方式携带至月球，因此大大节约运输能耗，降低制造成本，特别适用于月球基地建筑设施、机械零部件等构件的生产。

In-situ 3D Printing Device for Lunar Surface Resources in Microgravity Vacuum Environment

【技术实现步骤摘要】
面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置
本专利技术属于太空增材制造领域，更具体地，涉及一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置。
技术介绍
3DP(ThreeDimensionalPrintingandGluing)，三维打印粘结成形、喷墨沉积，也被称为黏合喷射(BinderJetting)、喷墨粉末打印(InkjetPowderPrinting)。该工艺属于“液体喷印成形”这一大类。工艺类似于传统的2D喷墨打印机，是最为贴合“3D打印”概念的成形技术之一。最早由美国麻省理工学院(MIT)于1993年开发。该技术基本原理是利用喷头喷黏结剂，选择性地粘结粉末来成形三维零件。其工艺流程如下：(1)首先对预打印零件的三维CAD模型进行分层切片，获得每层零件的轮廓信息；(2)然后铺粉机构在加工平台上精确地铺上一薄层粉末材料；(3)喷墨打印头再根据这一层的截面形状在粉末上喷出一层特殊的粘结剂，喷到粘结剂的薄层粉末发生固化；(4)然后在这一层上再铺上一层一定厚度的粉末，打印头按下一截面的形状喷粘结剂；(5)如此层层叠加，重复(2)～(4)，从下到上，直到把一个零件的所有层打印完毕。然后把未固化的粉末清理掉，得到一个三维实物原型，成形精度可达0.09mm。在无人化智能生产、快速成形方面具有得到巨大优势。鉴于地球人口的不断增加和人类生存环境的日趋恶化，人们对太空探索倾注了极大的热情。月球作为距离地球最近的天体，低重力、高真空等环境与太空环境接近，适合作为深空探测和科学研究基地。同时，人类已探明月球蕴含丰富资源，具有很高的利用价值。但在月球上建立基地存在较大困难。原因有如下：一是如果从地球运输生产材料到月球表面，则需要重型运载火箭多次发射，不但成本代价高昂，而且建设周期长，二是建设月球基地初期无法将大部分工人运输到月球，无人化智能生产极度需求。此外，现今的机械零件、框架结构等的生产需要如铣削设备、焊接设备、施工电梯等大量器械，同时需要技术熟练的技术工人，这些条件在月表建筑的制造中都难以满足。而现有的外太空3D打印装置，如“太空环境下的3D打印实现方法、打印单元及喷丝流量控制方法”(公开号：CN105172134A)，则均是外部携带材料到太空进行3D打印工作，携带材料上太空本身就浪费了大量的运输资源，不利于月球等外太空基地的建设。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，其目的在于，通过在3D打印设备中引入月球表面原位资源的抓取和筛分机构，实现微重力真空环境下直接利用月球表面原位资源进行产品的快速制造，从而无需从地球携带相应的原材料进入太空，大大节约运输资源。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，包括月球表面原位资源的抓取和筛分单元，以及喷墨3D打印成形单元；所述月球表面原位资源的抓取和筛分单元，包括第一铺粉器、机械手以及筛网；机械手用于采集月球表面原位资源并送至筛网进行筛选；所述喷墨3D打印成形单元，包括粗粉储粉缸、细粉储粉缸、工作缸、回收缸、第二铺粉器、喷嘴、Z轴直线模组、X轴直线模组及Y轴直线模组；以水平面为XY平面，竖直方向为Z轴方向，则粗粉储粉缸、细粉储粉缸、工作缸、回收缸沿X轴正方向依次布置；X轴直线模组位于工作缸上方，Y轴直线模组设于X轴直线模组上，喷嘴设于Y轴直线模组上；多个Z轴直线模组一一对应分别独立驱动粗粉储粉缸、细粉储粉缸、工作缸各自的基板的升降；第二铺粉器用于将多余的打印颗粒推至回收缸中；筛网位于细粉储粉缸正上方，细粉储粉缸用于储存通过筛网的细颗粒；第一铺粉器用于将未通过筛网的粗颗粒推至粗粉储粉缸中。进一步地，第一铺粉器和筛网均设于X轴直线模组上。进一步地，多个细粉储粉缸沿X轴正方向依次布置于粗粉储粉缸和工作缸之间；筛网的数量与细粉储粉缸的数量一致，各筛网按照目数由少到多的顺序，沿X轴正方向依次一一对应位于各个细粉储粉缸的上方。进一步地，还包括保温罩、防磁罩和漏斗；第一铺粉器、筛网以及喷墨3D打印成形单元设于保温罩内，保温罩位于防磁罩内；机械手设于防磁罩外；漏斗固定在保温罩和防磁罩上，且位于筛网上方；漏斗上设有开关，用于抓取资源后关闭漏斗从而将保温罩和防磁罩的内外环境隔离。进一步地，漏斗数量为一个，位于目数最多的筛网上方；或者，漏斗的数量与筛网的数量相等且一一对应位于各筛网上方。进一步地，细粉储粉缸的底板下侧设置振动台。进一步地，所述喷墨3D打印成形单元还包括导轨和多个轨道运输车，细粉储粉缸和粗粉储粉缸各自的Z轴直线模组分别一一对应搭载于各轨道运输车上，以带动各个细粉储粉缸和粗粉储粉缸沿导轨运动。进一步地，所述喷墨3D打印成形单元包括多台喷墨3D打印机，每台喷墨3D打印机均配置有储粉工位，各储粉工位均通过导轨连通；各轨道运输车用于将储存有不同粒径的细粉储粉缸和粗粉储粉缸，连同其各自对应的Z轴直线模组，运送至指定的储粉工位，以供对应的喷墨3D打印机使用相应粒径的颗粒进行打印。总体而言，本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1、本专利技术直接利用月面的月壤和月尘等细微颗粒材料作为打印原料，可按照喷墨打印最小分层切片层厚的颗粒大小要求，通过设置相应目数的筛网进行筛分处理获得指定粒径的原始颗粒；通过各个方向上的运动模组的结构设计，实现在工作缸分层铺粉时，喷嘴内的粘结剂材料根据零件信息进行分区分块的喷射粘结成形，层层铺粉，从而完成关键零部件的3D打印。这种月球表面原位资源的3D打印装置不仅可以解决月球基地诸多零部件的供给问题，而且由于其直接采用月面资源作为打印材料，无需从地球携带，具有低运输能耗的特点，大大降低生产零件的制造成本，特别适用于月球基地建筑设施、机械零部件等构件的生产。2、本专利技术的月球表面原位资源的抓取和筛分单元，可根据实际使用情况，配置多台机械手和多种目数的筛网；不同的筛网目数对应不同尺寸的原料颗粒，粗粉储粉缸的工位数也可以是一套或者是多套；从而易于扩大生产规模，提高生产效率。3、本专利技术可以通过增加不同粒径的储粉缸工位，实现材料的分级回收，可以用作不同原材料粒径要求的零件的成形；还可以针对同一零件不同部位的性能要求，采用不同粒径的颗粒进行3D打印，即，可以通过多工位分级回收利用月球表面原位资源，实现具有材料梯度的构件的3D打印成形，并可根据实际使用的筛网和储粉缸的数量来确定梯度数量。因此，本专利技术具有功能多样化的特点，适用面广。4、本专利技术的喷墨3D打印成形单元由保温罩和防磁罩保护，避免月球早晚的巨大温差(可达300℃)和不可预测的磁场影响。并且，防磁罩设于保温罩外，可以避免不可预测的磁场对温度场的影响，进一步保障内部工作环境的温度稳定。5、本专利技术利用月球原本的资源进行喷墨粘结成形，仅需要重量轻、体积小的粘结剂材料作为携带材料。因此，应用3D打印实现月表原位资源快速成形成为理想的技术方案。在月球探测任务中利用月壤、月尘等原位资源进行3D打印，服务月球试验站建造，可大大减少地面发射质量，显著提高任务效率。6、本专利技术能够在月球“就地取材、智能搭建”，是实现月球基地建设的科学和可行方案。附图说明图1为本专利技术优选实施例月球表本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，包括月球表面原位资源的抓取和筛分单元，以及喷墨3D打印成形单元；所述月球表面原位资源的抓取和筛分单元，包括第一铺粉器(31)、机械手(17)以及筛网(4)；机械手(17)用于采集月球表面原位资源并送至筛网(4)进行筛选；所述喷墨3D打印成形单元，包括粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)、回收缸(6)、第二铺粉器(32)、喷嘴(5)、Z轴直线模组(12、13)、X轴直线模组(1)及Y轴直线模组(2)；以水平面为XY平面，竖直方向为Z轴方向，则粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)、回收缸(6)沿X轴正方向依次布置；X轴直线模组(1)位于工作缸(11)上方，Y轴直线模组(2)设于X轴直线模组(1)上，喷嘴(5)设于Y轴直线模组(2)上；多个Z轴直线模组(12、13)一一对应分别独立驱动粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)各自的基板(8)的升降；第二铺粉器(32)用于将多余的打印颗粒推至回收缸(6)中；筛网(4)位于细粉储粉缸(14)正上方，细粉储粉缸(14)用于储存通过筛网(4)的细颗粒；第一铺粉器(31)用于将未通过筛网(4)的粗颗粒推至粗粉储粉缸(15)中。...

【技术特征摘要】
1.一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，包括月球表面原位资源的抓取和筛分单元，以及喷墨3D打印成形单元；所述月球表面原位资源的抓取和筛分单元，包括第一铺粉器(31)、机械手(17)以及筛网(4)；机械手(17)用于采集月球表面原位资源并送至筛网(4)进行筛选；所述喷墨3D打印成形单元，包括粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)、回收缸(6)、第二铺粉器(32)、喷嘴(5)、Z轴直线模组(12、13)、X轴直线模组(1)及Y轴直线模组(2)；以水平面为XY平面，竖直方向为Z轴方向，则粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)、回收缸(6)沿X轴正方向依次布置；X轴直线模组(1)位于工作缸(11)上方，Y轴直线模组(2)设于X轴直线模组(1)上，喷嘴(5)设于Y轴直线模组(2)上；多个Z轴直线模组(12、13)一一对应分别独立驱动粗粉储粉缸(15)、细粉储粉缸(14)、工作缸(11)各自的基板(8)的升降；第二铺粉器(32)用于将多余的打印颗粒推至回收缸(6)中；筛网(4)位于细粉储粉缸(14)正上方，细粉储粉缸(14)用于储存通过筛网(4)的细颗粒；第一铺粉器(31)用于将未通过筛网(4)的粗颗粒推至粗粉储粉缸(15)中。2.根据权利要求1所述的一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，其特征在于，第一铺粉器(31)和筛网(4)均设于X轴直线模组(1)上。3.根据权利要求1所述的一种面向微重力真空环境的月球表面原位资源3D打印装置，其特征在于，多个细粉储粉缸沿X轴正方向依次布置于粗粉储粉缸(15)和工作缸(11)之间；筛网的数量与细粉储粉缸的数量一致，各筛网按照目数由少到多的顺序，沿X轴正方向依次一一对应位于各个细粉储粉缸的上方。4.根据权利要求1～3任意一...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋波，张磊，史玉升，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42