一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。低成本增材制造。低成本增材制造。

【技术实现步骤摘要】
一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法


[0001]本专利技术属于外星基地建材制造
，具体涉及一种外星壤原位资源熔融挤出增材制造设备及方法。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术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。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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；
[0017]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；
[0018]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。
[0019]本专利技术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：
[0020]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；
[0021]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％；
[0022]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％；
[0023]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。
[0024]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；
[0025]所述太阳能聚焦光纤传输系统包本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢秉恒，刘荣臻，马睿佳，韦继翀，李波波，李江昆，
申请(专利权)人：西安增材制造国家研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：