[发明专利]空间悬浮式成型基板控制的粉末增材制造设备及其方法

说明书

本发明公开了一种空间悬浮式成型基板控制的粉末增材制造设备，本发明主要以悬浮式成型基板组件和长寿命多刮刀铺粉组件、高效阵列式吹风过滤组件等组成，本发明特别适用于最大长度在1000mm～2000mm长轴类零件。本发明不采用机械导向轴和丝杆驱动，可有效地降低成形加工难度，特别在超长零件打印时的精度控制和刮刀磨损方面，具有突出优势，可有效地减少Z向进给累积误差，同时多刮刀设计可以提高刮粉空行程利用率、延长刮粉极限时间，保证超长零件成形质量，此外本方案可以降低设备体积，从而满足空间/月面超常环境空间增材制造需求。

技术领域

本发明涉及增材制造领域和空间制造领域，特别适用于提高长轴、长杆类零件制造精度和质量增材制造领域。

背景技术

在金属增材领域中，零件的成型尺寸受制于成型缸体的设计尺寸和光学系统扫描尺寸，其中高度主要由成形缸技术决定。目前市场上的增材制造领域设备打印高度尺寸小于400mm的零件基本不存在技术制约，但是当成型零件某一方向尺寸达到800～2000mm时，设备整机庞大的体积和成型缸组件超长的尺寸就变得不可忽视，必须重新发明新的成型缸技术。当前超长零件(长轴、长杆类)打印也是3D打印行业普遍面临的技术难点之一。

本发明另一个使用背景是空间增材制造需求。人类航天技术从无人卫星到载人飞船再到空间站，在近一个世纪内有了飞速发展。但到目前为止，所有的航天器均为在地面制造，并由复杂昂贵的运载火箭发射送入太空。不仅发射成本高昂，同时也伴随着巨大的发射风险。同时，系统最为复杂的空间站在运营过程中，需要进行不断的维护维修，而维护维修所需的材料、备件和工具等也需要由地面发射入轨，在通过交会对接运送至空间站，维修成本巨大，耗时周期漫长。

为了研究空间增材制造装备驱动构型，本发明提出了采用悬浮式成型缸组件来控制成型基板的升降运动，克服了机械丝杆固定长度导向的约束，可以有效缩短成型缸的尺寸，从而有效地缓解传统方式超长成型缸加工制造的难度。同时双刮刀铺粉模式有效地保证了长时间铺粉的可靠性和稳定性，进而让超长零件高精度打印成为可能。

因此，本发明能够满足超常环境对长零件高效可靠打印的小体积设备苛刻要求，该发明可减少机械式成型缸长度的50％，能有效降低设备整体体积，同时本发明提出双刮刀交替工作的铺粉模式，可以有效地提升刮粉空行程利用率、延长刮粉极限使用时间，从而保证超长零件增材制造工艺过程智能化地顺利完成。

发明内容

本发明目的在于提供一种空间悬浮式成型基板控制的粉末增材制造设备，从而提供可适应空间超常环境的金属、陶瓷等材料的选区熔化增材制造设备，地面上可维持长轴类等特种工况的设备尺寸、体积与重量需求，保证长时间铺粉的可靠性和稳定性，实现特种环境要求的超长零件高精度打印成型。

为了达到上述的目的，本发明提供一种空间悬浮式成型基板控制的粉末增材制造设备，其特征在于，该设备包括高能束源、超常环境气氛调制组件、悬浮式成型基板组件、长寿命多刮刀铺粉组件、高效阵列式吹风过滤组件和控制器；

所述高能束源是设备加工制造的能量来源，正对所述悬浮式成型基板组件；

所述超常环境气氛调制组件是用于长时间维持设备内低氧环境，并通过压力作用于粉体颗粒以及粉体自身电磁特性，使得零重力环境下可以进行粉末材料层的逐层循环操作；

所述悬浮式成型基板组件安装于所述超常环境气氛调制组件中间隔板下，该组件在气流场力作用下进行定量移动，实现成型基板高精度的垂直升降；

所述长寿命多刮刀铺粉组件用于将增材粉末均匀铺于成型幅面，该刮刀具备与粉体电磁特性相兼容的特性，在机械运动、电磁场及气流场多场耦合下可施加粉体操作动作，实现粉层逐层铺置；

所述高效阵列式吹风过滤组件安装于超常环境气氛调制组件两侧法兰处，用于清除设备运行过程中产生的粉尘飞溅，该气氛可选择氮气，也可选择与氩气配置的比例，排除设备后可通过过滤及添加氧组分实现气氛回流到人员居留空间中；