一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法，装置包括熔融层积增材制造机构，取样传递机构和机架底板。其中，熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头、非平面热床、旋转系统、径向传动系统、轴向传动系统I、送丝系统、储丝系统和热床基座；径向传动系统带动熔融挤出头和送丝系统沿非平面热床径向升降运动，旋转系统带动径向传动系统绕非平面热床轴线旋转运动，轴向传动系统I带动旋转系统沿非平面热床轴向水平运动。本装置特别适用于超长杆梁结构的增材制造，可有效减少增材制造成形过程中，不均匀温度变化产生的残余应力所导致的制品翘曲、弯曲、开裂等问题。通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元的制备。

【技术实现步骤摘要】
一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法
本专利技术涉及增材制造
，具体涉及一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法。
技术介绍
随着太空技术的发展，人类的太空活动不再局限于近地轨道，“深空、长时”成为未来太空探索任务的主要特点，而后勤资源补给及航天器/航天基地在轨维修、拓展等是主要技术难题。受现有火箭运载空间和发射能力的约束，难以继续实现“地面制备，火箭运输，空间应用”的运营模式，主要原因在于这种资源补给方式不仅周期长、成本昂贵，而且存在一定的发射风险。因此，空间大型设施的原位构建成为各国争夺的战略制高点，其中，大型化、低成本、轻质、高强的空间桁架结构的原位构建是技术发展的必然趋势。因此，采用复合材料熔融沉积增材制造技术(FusedDepositionModeling，FDM)，辅助在轨装配技术，是解决原位构建空间大型桁架结构瓶颈问题的有效途径之一。美国国家航空航天局资助下美国太空制造公司研发了首台空间微重力3D打印机并于2014年送入国际空间站，在舱内成功打印ABS套筒扳手等零件，首次验证了空间微重力环境下的FDM制造；对比国际空间站舱内制造的飞行样本与地面样本，在质量、密度、尺寸、精度、机械强度等方面的综合性能测试，结合仿真分析，研究结果表明，工程上空间微重力对FDM成型没有显著影响。美国系绳无限公司在美国国家航空航天局创新先进概念计划资助下，首次开展名为蜘蛛工厂的舱外太空制造系统概念验证，结合在轨增材制造技术与机器人技术，研究基于热塑性聚合物复合材料的千米尺度大型空间桁架结构的单元制造与整体装配技术。随着我国空间站、月球及火星等空间探索任务的相继制定和发布，发展我国自主的空间在轨增材制造技术具有重要意义。现有在轨增材制造技术，受关注点集中于舱内在轨增材制造的影响，往往存在成形环境保障腔的空间约束、机械控制系统的工位局限等问题，很难在有限的增材制造成形空间中，制备出超长的杆梁结构件。而这类杆梁结构件是构筑大型桁架或支持结构的关键部件。因此，以大型桁架的原位构建为目标，开展超长杆梁结构的舱外在轨增材制造技术与装置的相关研究尤为重要。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：以大型桁架超长杆梁结构单元的舱外在轨原位构建为目标，突破杆梁结构单元受火箭的运载空间尺寸和发射过程中严苛力学环境的限制约束，设计并制造可制备超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置。为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置及制备方法，具体技术方案如下。本专利技术中，其中的一个技术方案是一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，包括熔融层积增材制造机构，取样传递机构和机架底板，通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造。作为优选的技术方案，所述熔融层积增材制造机构变径螺旋成型的杆梁结构单元由取样传递机构支撑夹持传递以完成熔融延伸制造，熔融层积增材制造机构和取样传递机构并列安装于机架底板上。作为优选的技术方案，所述熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头、非平面热床、旋转系统、径向传动系统、轴向传动系统I、送丝系统、储丝系统和热床基座；所述熔融挤出头和送丝系统沿出丝孔同轴固定，与径向传动系统连接，储丝系统固定于径向传动系统顶部，径向传动系统与旋转系统连接，旋转系统与轴向传动系统I连接，非平面热床同轴穿过旋转系统并连接于热床基座，热床基座和轴向传动系统I固定于机架底板；所述熔融挤出头随旋转系统绕非平面热床轴线旋转运动，同时随轴向传动系统I沿非平面热床轴向水平运动，单层制造完毕后熔融挤出头随径向传动系统沿非平面热床径向升降运动；送丝系统从储丝系统捻出丝材，进入熔融挤出头加热并挤出；高温丝材沿非平面热床轴向螺旋缠绕沉积并在直径方向逐层增厚，完成变径螺旋式杆梁结构单元的熔融沉积成型制备。作为优选的技术方案，所述取样传递机构包括轴向传动系统II，机械手爪I，机械手爪II，其中机械手爪I和机械手爪II结构一致，包括机身，夹持手指I和夹持手指II。作为优选的技术方案，所述机械手爪I和机械手爪II随轴向传动系统II的动作沿非平面热床的轴向直线运动，当与非平面热床长度相当的杆梁结构单元制备完成后，两组机械手爪配合将杆梁结构单元从热床首端移动至尾端，实施熔融延伸制造，重复上述制造过程，直至完成设计长度的杆梁结构单元制备，两组机械手爪配合将已完成制备的杆梁结构单元从热床取出。作为优选的技术方案，所述舱外在轨增材制造装置制备的杆梁结构单元，包括圆柱形管体，圆台形管体，棱柱形管体，棱台形管体，斜棱柱形管体，斜棱台形管体，圆柱葫芦形管体，棱柱葫芦形管体，斜棱柱葫芦形管体，圆台葫芦形管体，棱台葫芦形管体，斜棱台葫芦形管体中的一种或者几种。作为优选的技术方案所述机械手爪I和机械手爪II取样方式包括推送夹持取样、拉伸夹持取样和旋转夹持取样中的一种或几种。本专利技术的另一技术方案是一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的制备方法，其工作程序包括如下步骤：1)送丝系统将丝材从储丝系统捻入熔融挤出头，熔融挤出头挤出高温丝材并绕非平面热床轴心旋转运动，同时沿非平面热床轴向水平运动至单层制造完毕，随后熔融挤出头沿非平面热床径向上升；在上述变径螺旋运动作用下，丝材逐层累积在非平面热床，达到设计杆梁结构单元厚度，实现特定截面形貌的第一部分杆梁结构单元的制备；2)根据步骤1制备得到的第一部分杆梁结构单元，通过取样传递机构从非平面热床分离，直线后退，直至第一部分杆梁结构单元头部从非平面热床的首端运动至尾端时停止；3)熔融层积增材制造机构的熔融挤出头运动至非平面热床尾端，以第一部分杆梁结构单元头部为起始点，通过熔融延伸工艺，在第一部分杆梁单元上实现第二部分杆梁结构单元的熔融延伸增材制造；4)重复步骤1至步骤3的动作，在第二部分杆梁结构单元上实现第三部分杆梁结构单元的熔融延伸增材制造；5)重复上述杆梁结构单元的熔融延伸增材制造过程，直至完成设计长度的杆件制备，即得变径螺旋成型杆梁结构单元产品。运用如上技术方案中所述的方法所得到的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造成型件。有益效果在于：以大型空间桁架为代表的超长杆梁结构单元，其尺寸和理化性能受火箭的运载空间尺寸受火箭运载空间和发射过程中严苛力学环境的限制约束，难以实现“地面制备，火箭运输，空间应用”的航天运营模式开。因此，本专利技术基于熔融沉积技术的变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，是一种解决上述问题的有效途径，有两大作用：(1)可实现不同长度、不同截面形状、不同截面尺寸杆梁结构单元的变径螺旋成型增材制造制备，尤其是超长异形杆梁结构单元的增材制造。(2)基于非平面热床系统制备的变径螺旋成型超长杆梁结构单元，可实现增材制造过程温度的精确控制，有利于热量传递，残余应力消除；避免杆梁结构的翘曲、弯曲、开裂等问题。...

【技术保护点】
1.一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：包括熔融层积增材制造机构(10)，取样传递机构(20)和机架底板(30)，通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元(40)的舱外在轨增材制造。/n

【技术特征摘要】
1.一种变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：包括熔融层积增材制造机构(10)，取样传递机构(20)和机架底板(30)，通过变径螺旋成型的熔融沉积增材制造方式，配合熔融延伸工艺，实现超长杆梁结构单元(40)的舱外在轨增材制造。


2.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述熔融层积增材制造机构(10)变径螺旋成型的杆梁结构单元(40)，由取样传递机构(20)支撑夹持传递以完成熔融延伸制造；熔融层积增材制造机构(10)和取样传递机构(20)并列安装于机架底板(30)上。


3.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述熔融层积增材制造机构包括熔融挤出头(11)、非平面热床(12)、旋转系统(13)、径向传动系统(14)、轴向传动系统I(15)、送丝系统(16)、储丝系统(17)和热床基座(18)；
所述熔融挤出头(11)和送丝系统(16)沿出丝孔同轴固定，与径向传动系统(14)连接，储丝系统(17)固定于径向传动系统(14)顶部，径向传动系统(14)与旋转系统(13)连接，旋转系统(13)与轴向传动系统I(15)连接，非平面热床(12)同轴穿过旋转系统(13)并连接于热床基座(18)，热床基座(18)和轴向传动系统I(15)固定于机架底板(30)；
所述熔融挤出头(11)随旋转系统(13)绕非平面热床(12)轴线旋转运动，同时随轴向传动系统I(15)沿非平面热床(12)轴向水平运动，单层制造完毕后熔融挤出头(11)随径向传动系统(14)沿非平面热床(12)径向升降运动；送丝系统(16)从储丝系统(17)捻出丝材，进入熔融挤出头(11)加热并挤出；高温丝材沿非平面热床(12)轴向螺旋缠绕沉积并在直径方向逐层增厚，完成变径螺旋式杆梁结构单元的熔融沉积成型制备。


4.根据权利要求1所述变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述取样传递机构(20)包括轴向传动系统II(21)，机械手爪I(22)，机械手爪II(23)，其中机械手爪I(22)和机械手爪II(23)结构一致，包括机身(221)，夹持手指I(222)和夹持手指II(223)。


5.根据权利要求4所述变径螺旋成型超长杆梁结构单元的舱外在轨增材制造装置，其特征在于：所述机械手爪I(22)和机械手爪II(23)随轴向传动系统II(21...

【专利技术属性】
技术研发人员：黎静，杨杰，吴文杰，范树迁，于宁，高霞，张代军，刘基权，丁继锋，
申请(专利权)人：中国科学院重庆绿色智能技术研究院，
类型：发明
国别省市：重庆;50