[发明专利]一种适用于微重力空间环境的3D打印系统及方法

说明书

本发明公开了一种适用于微重力空间环境的3D打印系统，包括外壳(1)及控制单元(2)；设于外壳(1)内部的工作台(12)及设于该工作台(12)上的基板(11)，送料单元，其包括储料装置(4)、设于该储料装置(4)一端的送料机构(6)，以及设于所述储料装置(4)另一端的顶出机构(3)，加工头部件，其包括小型激光器(7)。本发明还公开了适用于微重力空间环境的3D打印方法。本发明的系统，避免了非晶合金在长时间高温条件下热塑性连接成形的晶化风险，能够做到同轴送料，成形效率高，且保证出料均匀连续，可成形任意形状零件，能够得到成形质量高的大尺寸非晶合金零件，能够保持良好的设备工作稳定性，特别适合空间环境中在轨制造。

技术领域

本发明属于金属3D打印机制造技术领域，更具体地，涉及一种适用于微重力空间环境的3D打印系统及方法。

背景技术

随着航天技术的高速发展，探索深空、建设外星基地、外星移民等研究计划将逐渐提上日程。但要实现长期在轨居留的物资和生命保障、空间应用设施建造、外星基地建设和运行，很大程度依赖于如何实现高效、可靠、低成本的“空间制造”，从而克服现有火箭运载方式在载重、体积、成本上对太空探索活动的限制。空间制造可直接利用太阳能、原材料等空间资源，实现自我维持。值得关注的是，空间微重力环境使得原位制造、组装超大尺寸构件已成为可能。3D打印是一种采用逐层堆积直接进行零件成形的数字化增材制造工艺，与传统减材或等材制造相比，3D打印技术消除了加工过程对中间模具的需求，能够进行快速需求响应，具有单件小批量定制化快速制造的优势，较适合空间制造需求。

迄今为止，太空微重力及热真空环境的3D打印技术主要为可适用于塑料的熔融沉积式(FDM)及可适合金属的(EBM)电子束无模成形制造这两种。而空间3D打印研究主要采用FDM方式，围绕着聚合物或复合材料(金属粉、金属丝及聚合物的混合物)进行，但聚合物和复合材料的强度一般不超过150MPa，严重限制了其空间应用范围。航天器中主要的零部件是由金属材料制备而成，因此，开发金属材料的空间3D打印尤为迫切。

目前，用于金属3D打印的材料品种较少，主要包括不锈钢、高温合金、钛合金、铝镁合金及稀有金属等。且这些金属3D打印技术主要采用激光直接熔化金属粉体(如SLM和EBM)，或采用粘合剂喷射技术(3DP)先将金属粉末粘结成型，再烧结成型制备金属零件。如专利CN106978577A公开了一种非晶合金复合材料的激光3D打印方法，并具体公开了通过激光器加热非晶合金复合材料合金粉末，利用同轴送粉3D打印方法逐层成型非晶合金复合材料构件。其克服了水淬法和铜模铸造法成型非晶合金复合材料尺寸较小和形状简单的缺点，在正常重力条件下能够解决非晶合金复合材料难以机械加工的问题。但该专利公开的非晶合金激光打印方法工艺较为复杂，且不能在如空间微重力条件等一些特殊的环境下使用，具体不足为：(1)非晶合金粉末制备工艺复杂，且出粉率不高，一般雾化制粉设备出粉率仅为50％左右，因此制备打印原材料需要很高的成本；(2)由于其利用激光对铺设粉体进行加热，铺粉部件使得设备体积较大，内部结构分布不够紧凑，且粉体在加热过程中容易飞溅，金属粉末本身在空间微重力条件下也无法实现正常铺粉，无法实现在轨制造的功能；(3)由于金属粉末之间的接触面积较小，导热受到限制，大的温度梯度往往会引起大的热应力及残余应力，在复杂的空间环境下，容易导致零件产生变形、裂纹等缺陷；(4)由于航天器可用空间的限制以及太空微重力的特殊环境，空间3D打印系统需要轻质、便捷、小型化、稳定性高和自动化。因此，亟待发明一种新型的金属材料空间3D打印成形技术，并研发与之匹配的新型金属材料。专利CN109434112A公开了一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，并具体公开了采用加热装置仅在喷头附近区域加热非晶合金到过冷液相区，利用其超塑性实现成形。但该技术仍然存在如下技术问题：(1)对非晶合金的玻璃形成能力极高；(2)在空旷环境下，过冷液态非晶合金的热量散失非常快，这严重影响非晶合金的粘度。高粘度不可避免影响扩散连接，导致层与层之间焊接不牢，甚至脱离，严重影响成形件的力学性能与可靠性。

发明内容