[发明专利]太空环境下的FDM3D打印系统及喷丝流量控制方法

权利要求书

1.一种太空环境下的FDM3D打印系统；其特征在于：所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性丝材、料盘、增压喷头、升降工作台、送丝机构、热熔性胶棒和胶水喷头；3D打印机外接中央控制系统控制分层处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由送丝机构驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性胶棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓；所述的改进型增压喷头包含有气体入口、圆锥收缩段、圆筒形喉管、加热机构、圆锥扩散段、挤料出口、输料管路、输料管路内通道、输料管路缩口；气体入口下依序为圆锥收缩段、圆筒形喉管、圆锥扩散段和挤料出口；同时，圆筒形喉管连接输料管路；输料管路另一端为输料管路缩口；输料管路内有输料管路内通道；加热机构设置在圆筒形喉管、圆锥扩散段和输料管路外，对该部分进行加热；当增压气体从气体入口进入，并通过圆锥收缩段，此时高速流动的气体通过圆筒形喉管气流由粗变细以加快气体流速产生低压，从而在圆筒形喉管处产生吸附作用；通过加热机构时，会使得输料管路内通道的丝材形成熔融状态，到了低压的圆筒形喉管会因为吸附作用随着空气混合并一起进入圆锥扩散段，最后通过挤料出口挤出成型。

2.根据权利要求1所述的打印系统；其特征在于：所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

3.根据权利要求1所述的打印系统；其特征在于：所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。

4.根据权利要求2所述的打印系统；其特征在于：所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。

5.根据权利要求1至4任一项所述的打印系统；其特征在于：打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

6.一种1至5任一项权利要求所述的打印系统的喷丝流量控制方法；其特征在于：所述的方法是利用改进型增压喷头结构，喷管高压空气流从小孔吹出的方式而使熔融材料产生真空引力引起气液在混合室混合；即在改进型增压喷头的气体入口和挤料出口之间有一个横截面缩小的圆筒形喉管；当气体或液体在其内流动，在管道的最窄处，动态压力达到最大值，静态压力达到最小值；气体或液体的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升；可以由空气吹出速度的大小来调节真空度的大小和熔融材料流量；根据伯努利定律方程计算可以得到其流速和流量，并控制压力大小。

7.根据权利要求6所述的喷丝流量控制方法；其特征在于：在计算出口流量时，根据理想状况下不考虑流体受到的阻力作用，气体入口和圆筒形喉管截面面积分别为A₁、A₂，气体入口和圆筒形喉管流速分别为v₁，v₂、位能分别为z₁，z₂、动能修正系数为α₁，α₂，ρ代表流体密度，在管道半径已定的情况下，流量Q仅与变量压力p₁，p₂有关，p₁：文丘里管进口压力；p₂：喉管进口压力；

出口流量为以下公式如下，对两断面列伯努利方程有：

连续性方程：Q＝v₁A₁＝v₂A₂

由(1)、(2)两式联立可得：

考虑到太空环境下的微重力条件g≈0，将公式化简得：