[发明专利]利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印系统及方法

说明书

本发明涉及一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印系统及方法，温度传感器、压力传感、距离传感器和流量计的数据信息均传输至电脑终端，电脑终端根据三维数据发出控制指令，通过三维移动平台控制芯片控制三维移动平台，使得基体或基板根据设计路径移动，同时根据温度传感器、压力传感和流量计的数据控制阀门和加热器，调整工艺参数。优点是在太空环境下，克服了熔化态3D打印技术在失重条件下难以有效结合的难题，该发明中粉末具极高的速度与准确的方向，气体经过拉瓦尔喷嘴加速产生的动能完全使金属粒子克服太空的失重环境。

技术领域

本发明属于太空3D打印技术领域，涉及一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印系统及方法，利用计算机建模并逐层切片后，预热的喷涂粉末在收缩-扩张型拉瓦尔(Laval)喷嘴中加速获得动能后按照指定的路径沉积在基板上，实现金属构件制造或修复。粉末粒子在沉积过程中始终处于固态，完全区别于基于熔化-凝固的高能束态3D打印技术，所以称为固态3D打印技术。

背景技术

随着人类对太空的发展逐渐向远空发展，航天器的在轨时间以及在轨道高度的逐渐增加。目前，进行太空探索所需的设备和航天器日常维护所需的零件仍然需要通过货运飞船进行运输，这无疑极大地增加了探索太空的成本。并且某些设备(如飞船天线等)在装进货运飞船之前还需进行折叠，这不可避免的加大了航天员的操作难度。这些问题都是阻碍太空探索进一步发展的重大问题。航天器自身具备了制造能力可以大大加长航天器服役时间，提高航天员在轨工作的自由度，对太空探索向深空发展起到“加油站”作用。如何让航天器在太空中实现在轨制造和修复，是实现太空探索梦想的关键。

航天器上的零件和设备往往是个性化定制，而不是大批量制造，这正是3D打印技术的优势所在。高能束的金属3D打印技术是将产品进行计算机建模，再将模型进行截面切片，设计路径，然后采用逐层堆积的方式打印出实体。打印所需金属材料以粉末或丝材的方式送入，通过送粉或铺粉方式被加热，或者进入喷嘴之前在加热器中熔化成液态，在压力作用下被挤出喷嘴，层层沉积，冷却后形成固态实体。由于是增材制造，加工过程并不受零件结构的影响，材料的浪费少，精确度高。3D打印技术运用到太空金属构件在轨制造和修复中比较合适。

经过近些年的发展，地面3D打印技术日趋成熟。但太空环境与地面环境相比存在巨大差异，地面3D打印技术无法适应太空的特殊环境，要实现太空3D打印面临着设备、工艺、材料等各方面的巨大挑战，比如，高温熔化会造成合金元素烧损、组织粗大、热应力、裂纹，太空微重力环境使熔池行为难以控制等，要获得高性能构件或修复还存在很大困难。因此，探索新的金属3D打印技术，实现金属材料高质量在轨制造与修复对支撑太空装备的服役具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印系统及方法。

本发明解决的技术问题之一在于提供一种太空环境下新型金属3D打印实现方法，实现太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印。

本发明解决的技术问题之二在于提供一种太空环境下金属3D打印系统，实现太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印。

本发明解决的技术问题之三在于消除高能束3D打印技术中存在的高温熔化-凝固导致的冶金问题与沉积效率慢的问题，实现金属粉末的快速、固态沉积。

技术方案