一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法制造方法及图纸

一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法，属于外星基地建材制造技术领域，具体方案如下：一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，包括送料器、熔融器、挤出机构、退火炉、成形平台、三轴作动系统和聚光器，送料器与熔融器连通，聚光器位于熔融器的上方，挤出机构位于熔融器的下方并与熔融器的底部开口连通，退火炉位于挤出机构的下方，挤出机构的挤出嘴竖直设置在退火炉的上表面开口处，成形平台设置在退火炉内并位于挤出嘴的下方，成形平台与三轴作动系统连接，三轴作动系统位于退火炉的下方，本发明专利技术直接利用太阳能熔融星际壤粉料直线增材制造，能源资源就地取材、制品形式灵活多样，有效降低太空开发材料运输成本。有效降低太空开发材料运输成本。有效降低太空开发材料运输成本。

【技术实现步骤摘要】
一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法


[0001]本专利技术属于外星基地建材制造
，具体涉及一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置及方法，特别适用于月壤、火星壤等星际壤基材料及同类高熔点硅酸盐粉体材料，可应用于外星基地建材制品原位建造与外星基础设施维护保养所需各类制品的原位增材制造。

技术介绍

[0002]深空探索人员、装备中长期驻留和运营维护保养的需要，对建立星际中转站和获取相关制品提出要求。然而现阶段地月运输成本高昂，是深空探索和太空开发面临的瓶颈问题。
[0003]月壤和火壤为代表的外星壤是外星环境下最为丰富的天然资源，其主要成分为长石、辉石和橄榄石等硅酸盐相材料。国内外基于Appollo、嫦娥等月球、火星及小行星探测任务数据，已掌握了外星壤的基本理化性质，并围绕外星壤资源开展了原位资源利用技术研究。原位资源利用技术高度利用太空环境既有原位资源、能源，最大限度满足太空探索活动的可持续性需求，减少对地球资源的依赖，对于深空探索和太空开发活动具有重要意义。其中，外星壤原位增材制造技术是原位资源利用的重要技术手段，将为外星基地建造维护和探索装备原位修补提供关键技术支撑。
[0004]外星壤原位增材制造技术是利用月球、火星等地外天体表层风化层土壤作为原材料的增材制造技术，是原位资源利用理念和增材制造技术的有机结合。现有研究中，用于外星壤的增材制造方法主要有：混料挤出，三维印刷(3DP)，光固化，轮廓工艺，选区烧结等。上述方法主要存在成形过程需要粘接剂等不易原位制备的材料，原位能源、资源利率低，制造系统与制造工艺复杂等问题。相较于地球，月球和火星的引力小且大气极为稀薄，导致其表面大气压分别仅约为10
‑
11
mba和7.5mbar，其表面的重力加速度分别仅约为地球表面重力加速度的六分之一和五分之二，而太阳辐射能量密度分别可高达1368W/m2和589W/m2，如在昼夜交替下月球表面最低和最高温度可分别高达
‑
244℃和122℃，因此将导致外星开发活动处于严酷的高真空、低重力和高低温循环极端环境，对增材制造成形过程产生显著影响。因而，需要在现有增材制造技术的基础之上加以改进，最大限度避免外星极端环境的影响。
[0005]熔融沉积是指将熔融态原材料通过热熔喷头在指定位置上沉积凝固，堆叠成形的增材制造技术，常用于塑料、金属等线材，近年来也有用于玻璃粉体、块体的3
‑
D打印的报道。熔融沉积增材制造方法主要包含熔融、挤出、沉积三个主要部分。在熔融部分可以直接利用太阳能熔融星际壤资源，最大限度利用原位资源，简化能源利用方式，高效可靠；针对星际壤材料料性短的特点，在挤出部分可通过具有闭环调控功能的辅助聚光加热组件精准控制熔体温度，针对外星低重力对挤出成形的影响，可通过机械辅助的方式保证熔体稳定连续的可控挤出；在沉积部分可以通过辅助加热退火的方式确保沉积熔体性态稳定和成形制品性能可靠，避免外星高低温循环环境对成形质量的影响，并可根据星际壤熔体相变动力学特性，对熔融沉积增材制造部品性质进行调控。
[0006]外星开发过程中，一方面面临着极端外星环境的严峻挑战，另一方面伴随着外星环境丰富的原位外星壤资源和太阳能资源。以直接利用太阳能熔融外星壤，并辅以合理挤出方式和有效控性手段的星际壤原位太阳能熔融沉积增材制造技术，一方面高度契合原位资源利用理念，并发挥熔融沉积个性化成形的特点为太空探索活动提供支撑，另一方面最大限度避免太空极端环境对增材制造过程的影响，有望成为高效原位利用和高成形质量的外星壤原位增材制造方法。

技术实现思路

[0007]本专利技术的第一个目的是为了解决现有技术中存在的外星基地的建造过程中，过度依赖地球资源的运输的问题，提供一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置。
[0008]本专利技术的第二个目的是提供一种利用星际基地建造用熔融沉积增材制造装置的方法。
[0009]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0010]一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，包括送料器、熔融器、挤出机构、退火炉、成形平台、三轴作动系统和聚光器，所述送料器与熔融器连通，所述聚光器位于熔融器的上方，所述挤出机构位于熔融器的下方并与熔融器的底部开口连通，所述退火炉位于挤出机构的下方，所述挤出机构的挤出嘴竖直设置在退火炉的顶部开口处，所述成形平台设置在退火炉内并位于挤出嘴的下方，所述成形平台与三轴作动系统连接，所述三轴作动系统位于退火炉的下方，所述三轴作动系统与退火炉均设置在机架上。
[0011]一种使用所述的装置原位利用太阳能实现星际壤资源熔融沉积增材制造的方法，以原位外星壤资源作为原材料，以太阳能为热源，采用送粉熔融的方式，将外星壤熔融形成熔体；通过挤出机构温度闭环控制保持熔体粘度处于100
‑
150Pa
·
s的工作范围内；通过对沉积温度控制调控成形制品物相，保证成型质量；所述温度闭环控制的方法为根据检测温度传感器和参比温度传感器反馈的数据计算挤出机构辅助加热效率系数η，其计算方式如下：
[0012][0013]其中，
[0014]n——反射聚光镜(32)聚光比；
[0015]α——挤出嘴(31)材料吸收率；
[0016]P——反射导向镜(33)反射太阳光能量密度，W/m2，与透光条带数量正相关；
[0017]ε——挤出嘴表面发射率；
[0018]σ——黑体辐射常数，5.67
×
10
‑8W/(m
·
K4)；
[0019]T
i
——检测温度传感器温度数值，K；
[0020]T0——外星环境背景温度值，K；
[0021]辅助聚光加热组件根据辅助加热效率系数η、参比温度传感器温度数值T
n
、设定温度T
m
判断辅助加热状态，调整电致变透光率膜带透光条带的数量，进而调整辅助加热能量注入。
[0022]本专利技术相对于现有技术的有益效果为：
[0023]本专利技术以星际壤为原材料，以直接太阳能作为热源，通过送料器，熔融器，挤出机构，退火炉和成形平台等组件，和熔融、挤出、沉积、退火等步骤，实现星际壤熔融沉积增材制造，解决了资源能源高度原位化的星际壤工程材料化的技术问题和外星壤直接太阳能熔融沉积增材制造材料熔融、熔体沉积、成形控制的技术问题，具有以下有益效果：
[0024]1、通过直接利用太阳能熔融星际壤粉料实现增材制造，能源资源就地取材、制品形式灵活多样，有效降低太空开发材料运输成本；
[0025]2、通过可调速二级送料，实现使用外星低重力环境直接太阳能加热外星壤粉料熔融输运，能源资源利用方式高效直接，极大简化能源系统复杂程度；
[0026]3、通过挤出机构闭环控制辅助聚光加热组件精准控制挤出嘴出口处熔体温度波动范围小于10℃，进而保持挤出沉积过程中熔体粘度始终处于合适范围，与螺杆挤出相配合，实现外星壤熔体低重力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：包括送料器(1)、熔融器(2)、挤出机构(3)、退火炉(4)、成形平台(5)、三轴作动系统(6)和聚光器(7)，所述送料器(1)与熔融器(2)连通，所述聚光器(7)位于熔融器(2)的上方，所述挤出机构(3)位于熔融器(2)的下方并与熔融器(2)的底部开口连通，所述退火炉(4)位于挤出机构(3)的下方，所述挤出机构(3)的挤出嘴(31)竖直设置在退火炉(4)的顶部开口处，所述成形平台(5)设置在退火炉(4)内并位于挤出嘴(31)的下方，所述成形平台(5)与三轴作动系统(6)连接，所述三轴作动系统(6)位于退火炉(4)的下方，所述三轴作动系统(6)与退火炉(4)均设置在机架(8)上。2.根据权利要求1所述的星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：所述挤出机构(3)还包括辅助聚光加热组件，所述辅助聚光加热组件包括反射聚光镜(32)和至少一个反射导向镜(33)，所有所述反射导向镜(33)的表面均设置一组电致变透光率膜带(34)，太阳光照射在反射导向镜(33)后，反射至反射聚光镜(32)，经反射聚光镜(32)反射至挤出嘴(31)的侧壁上，所述挤出嘴(31)的侧壁上设置有辐射吸收涂层(37)。3.根据权利要求1或2所述的星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：所述挤出嘴(31)外侧壁的四周和顶部均安装有检测温度传感器(35)，所述挤出嘴(31)的出口处安装有参比温度传感器(36)。4.根据权利要求1或2所述的星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：所述送料器(1)包括传送带(11)和储料仓(12)，所述传送带(11)的出料端与储料仓(12)的进料口连接，所述储料仓(12)的内壁底部转动连接有送料转轮(13)，所述送料转轮(13)与调速电机的输出轴连接，所述调速电机安装在储料仓(12)外侧壁上，所述送料转轮(13)的外表面均布设置有若干个与送料转轮(13)的中轴线相垂直的翅片(14)，所述储料仓(12)的内壁上与送料转轮(13)相对应的位置处设置有密封垫(15)，所述储料仓(12)的底部开口处通过送料管(16)与熔融器(2)连通。5.根据权利要求1所述的星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：所述退火炉(4)的一个侧壁上设置有取料门(41)，其余侧壁上均安装有发热元件(42)，所述成形平台(5)通过支撑杆(9)穿过退火炉(4)的底部开口与三轴作动系统(6)连接，所述成形平台(5)包括成形层(51)和底板(52)，所述成形层(51)设置在底板(52)上，所述底板(52)与支撑杆(9)的顶端连接。6.根据权利要求1所述的星际基地建造用熔融沉积增材制造装置，其特征在于：所述三轴作动系统(6)包括X轴直线运动模组(61)、Y轴直线运动模组(62)和Z轴直线运动模组(63)，所述Y轴直线运动模组(62)安装在X轴直线运动模组(61)上，所述Z轴直线运动模组(63)安装在Y轴直线运动模组(62)上，所述Z轴直线运动模组(63)的顶端安装有隔热板(64)，所述隔热板(64)上设置有通孔。7.一种使用权利要求1
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔国富，王锐，郑伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：