一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法，所述装置包括打印舱室

【技术实现步骤摘要】
一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法


[0001]本专利技术涉及激光增材制造领域，特别涉及一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法
。

技术介绍

[0002]受运载火箭包络限制，以大型通讯天线
、
大口径红外望远镜
、
太阳能电站
、
深空探测中转站为例的超大型结构无法直接发射入轨，目前最佳方案是在轨直接制造；此外，在原子氧
/
辐射
/
高低温空间严苛环境以及太空垃圾撞击和武装破坏威胁下，空间站
/
卫星
/
探测器等涉及领空权争夺的核心装备亟待快频响的在轨应急维修
/
更换保障
。
瞄准超大型空间设备在轨直接制造与航天飞行器长期在轨运行的高效维护需求，国内外均已研发了舱内非金属材料增材制造装备并实现了在轨验证
。
受限于其制造尺寸和原材料适用面，国外航天领域正逐步从舱内非金属成型过渡到舱外金属直接制造
。
[0003]现行金属增材制造主要包括电子束
、
激光
、
电弧
、
固相增材，其中电子束送丝增材存在设备体积大
、
专业维护困难
、
空间环境污染等问题，电弧增材存在真空状态难引弧
、
电弧难维稳的问题，固相增材存在设备笨重
、
高速旋转造成空间失稳
、
安全隐患极大的问题，因此，从在轨制造的热源角度考虑，使用激光作为热源是适用于舱外金属增材制造的一种可行性较高的手段
。
但是在真空和微重力环境下激光送丝增材存在明显的球聚和晶粒粗大的现象，极度依赖光
‑
丝
‑
基板三者耦合与工艺参数的配合，影响构件几何成型与质量
。
[0004]鉴于已有技术存在的问题，需要设计一种规避微重力下球聚效应和高真空难散热环境下晶粒粗大的激光增材制造技术
。
经过现有技术的文献检索发现，现有方法仅通过工艺优化保障几何尺寸与成型质量，没有解决微重力下丝材前端金属球聚问题和高真空热封环境下晶粒粗大的问题
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法，以解决激光增材成型过程中丝材前端金属熔化后的球聚问题和高真空绝热环境下组织粗大的问题
[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术的技术方案是：提供一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置，包括打印舱室
、
能源舱室和控制舱室；所述控制舱室固定于所述打印舱室表面，便于实际操作与观测；所述打印舱室固定在在轨暴露平台，通过所述能源舱室往返于空间站与暴露平台实现能源补充；
[0007]所述打印舱室包括激光打印头
、
近端丝材送给模块
、
热丝模块
、
在线监测模块；所述控制舱室包括激光功率控制系统
、CNC
控制系统
、
送丝控制系统
、
操作监控界面；
[0008]所述激光打印头以脉冲激光作为热源冲击原材料搅动熔化形成熔池，具备细晶强化
、
成分均质分布
、
促进界面充分冶金结合的功能，进而凝固得到熔覆层；
[0009]近端丝材送给模块用于对送给丝材进行准直并振动搅拌，保障丝材精准送入熔池
并起到搅拌细晶的作用；
[0010]热丝模块用于将焊丝加热至近熔化状态，起到降低激光功率的作用，同时监控丝
、
熔池
、
基板的固液过渡模式，通过基于电阻值的闭环调控方法实现成型质量控制；
[0011]在线监测模块以旁轴的方式固定在激光打印头旁边，并能随激光头同步运动，用于实时摄取打印过程光
、
丝
、
熔池
、
基板四者耦合的图像，并进行闭环控制；
[0012]所述激光功率控制系统用于对激光功率进行调节控制；
[0013]所述
CNC
控制系统用于对运动轨迹进行控制；
[0014]所述送丝控制系统用于对送丝参数进行控制；
[0015]所述操作监控界面用于对打印参数和打印轨迹进行调整控制，对打印过程进行直观监控
。
[0016]进一步的，所述能源舱室包括电源模块
、
激光器
、
液冷模块
、
送丝机；
[0017]电源模块采用可充电式便携式电源；
[0018]激光器用于向激光打印头提供入射激光束；
[0019]液冷模块用于控制激光器的工作温度，保障设备正常运行；
[0020]送丝机用于向打印舱室提供并送给丝材
。
[0021]进一步的，所述电源模块为锂电池或核电池
。
[0022]进一步的，所述热丝模块的加热模式为感应加热
、
加热环加热或短路加热
。
[0023]本专利技术的另一个技术方案提供一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝方法，应用于上述的用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置，包括如下步骤：
[0024]步骤
S1、
前期准备：
[0025]预先设定构件成型所需的工艺参数与运动轨迹；
[0026]步骤
S2、
熔池形成：
[0027]激光预先作用于基板形成液态熔池；
[0028]步骤
S3、
丝材送给：
[0029]将预热的待送给丝材送入后端熔池；
[0030]步骤
S4、
结构成型：
[0031]激光与丝材根据预定轨迹成型
。
[0032]进一步的，所述步骤
S3
中，激光根据预定轨迹成型，丝材送给过程中加入“Z
“”
S”型搅拌送入熔池，实现细晶强化作用
。
[0033]进一步的，所述步骤
S4
中，通过
X、Y、Z
方向运动机构和基板底部转台保障预定轨迹成型的可行性
。
[0034]进一步的，所述步骤
S4
中，通过在线监测实时观测成型过程
,
保障太空微重力
、
高真空
、
低功率条件下的高质量成型
。
[0035]本专利技术提供的用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置及方法取得的有益效果是：
[0036]1)
将在轨制造所需设备整合成能源舱室
、
打印舱室
、
控制舱室三个模块，其中打印舱室和控制舱室固定在在轨暴露平台，通过能源舱室往返于空间站与暴露平台实现能源补充，设备携带便捷
、
功能划分合理
、<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置，其特征在于，包括打印舱室
、
能源舱室和控制舱室；所述控制舱室固定于所述打印舱室表面，便于实际操作与观测；所述打印舱室固定在在轨暴露平台，通过所述能源舱室往返于空间站与暴露平台实现能源补充；所述打印舱室包括激光打印头
、
近端丝材送给模块
、
热丝模块
、
在线监测模块；所述控制舱室包括激光功率控制系统
、CNC
控制系统
、
送丝控制系统
、
操作监控界面；所述激光打印头以脉冲激光作为热源冲击原材料搅动熔化形成熔池，具备细晶强化
、
成分均质分布
、
促进界面充分冶金结合的功能，进而凝固得到熔覆层；近端丝材送给模块用于对送给丝材进行准直并振动搅拌，保障丝材精准送入熔池并起到搅拌细晶的作用；热丝模块用于将焊丝加热至近熔化状态，起到降低激光功率的作用，同时监控丝
、
熔池
、
基板的固液过渡模式，通过基于电阻值的闭环调控方法实现成型质量控制；在线监测模块以旁轴的方式固定在激光打印头旁边，并能随激光头同步运动，用于实时摄取打印过程光
、
丝
、
熔池
、
基板四者耦合的图像，并进行闭环控制；所述激光功率控制系统用于对激光功率进行调节控制；所述
CNC
控制系统用于对运动轨迹进行控制；所述送丝控制系统用于对送丝参数进行控制；所述操作监控界面用于对打印参数和打印轨迹进行调整控制，对打印过程进行直观监控
。2.
如权利要求1所述的用于太空在轨制造的激光搅拌后送丝装置，其特征在于，所述能源舱室包括电源模块
、
激光器
、
液冷模块
、
送丝机；电源模块采用可充电式便携式电源；激光器用于向激光打印头提供入射激光束；液冷模块用于控制激光器的工作温度，保障设备正常运行；送丝机用于向打印舱室提供并送给...

【专利技术属性】
技术研发人员：齐超琪，赵凯，陆秋阳，梁鸿宇，杨静，任斐，
申请(专利权)人：上海航天设备制造总厂有限公司，
类型：发明
国别省市：