[发明专利]一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置

说明书

本发明公开了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置，属于太空增材制造领域。方法包括：熔化月面探测器废弃的着陆器中的金属以形成金属液滴；采用喷射金属液滴的方式对月壤颗粒进行液滴粘接；通过层层堆叠的方式3D打印成形高强度零部件；月壤颗粒的引入可以通过铺粉式或送粉式。借助基于液滴成形的3D打印方式，将金属液滴与月壤进行粘接，形成高强度的金属基复合材料，其兼具了金属材料的韧性和月壤陶瓷材料的高模量高耐磨性等性能，在月面环境下获得高强度的零部件用于月面设施的建造，且使用的原材料均来自月面原位资源，适用于资源紧缺的月面制造以及未来月球基地的大型构件或承重结构的3D打印制造。

技术领域

本发明属于太空增材制造领域，更具体地，涉及一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置。

背景技术

近几年我国探月工程不断发展，月面基地及基础设施的建设已然提上日程。月面基地的建设过程中若全采用地面运输的方式无疑会增大成本，且对于将来扩大月面基地建设而言，地月运输原材料的方式显然是不够经济实惠的。月球资源丰富，包括大量的矿物资源、月壤、极区的挥发性物资、极区陨石坑内的水冰资源等，尤其是钛铁矿几乎遍布全月。如果月面原位资源得到一定程度的发展，就可以大大减少从地球携带的材料，可以大大推动星际探测的发展。另外，在月面基地的建设中局部区域对力学性能要求较高，如太阳能电池阵的承重支座、通讯设施的承重基座等。

目前多所研究机构已提出了采用月面原位资源进行月面基地建设，如月壤砖的烧结，激光选取熔化成形月壤试件等。这些方法充分利用了月面的资源。

专利CN110256039A公开了一种月壤混凝土及其制备方法，其采用特制的成分配比制备了月壤混凝土，通过3D打印的方式挤出成型制备大型月面设施，不足之处在于：制备的月壤混凝土结构强度一般只有几十兆帕，不足以作为太阳能、通讯等承重基座的结构件。且该专利中月壤混凝土的制备中需用到关键原料——水资源，在月面操作实施较难。

专利CN111185992A公开了一种用于月坑中月壤资源的3D打印设备，其利用菲涅尔透镜聚焦太阳光作为能源对月壤开采装置采集的月壤颗粒进行高温烧结，成形3D打印零部件。该套设备充分利用了月面原位资源进行3D打印成形，但不足之处在于：原材料为单一的月壤相，具有较大的脆性。且在聚焦的太阳能光束下加工具有极高的冷却速度，会显著增大月壤相的裂纹敏感性，影响3D打印零部件的正常使用，不适用于月面设施中的承重基座。

专利CN110039771A公开了一种面向月球表面的原位资源3D打印装置，其利用地面携带的特殊粘接剂对筛分后的月壤进行喷墨3D打印成形。该专利所述的特殊粘接剂的种类成分并未给出，且粘接剂仍旧需要地面携带，并不完全属于月面原位制造。

发明内容

针对现有月面原位制造方法难以实现月面高强度零部件的制造，或无法充分利用月面资源的不足的缺陷和改进需求，本发明提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法和装置，其目的在于借助基于液滴成形的3D打印方式，将金属液滴与月壤进行粘接，形成高强度的金属基复合材料，其兼具了金属材料的韧性和月壤陶瓷材料的高模量高耐磨性等性能，在月面环境下获得高强度的零部件用于月面设施的建造，且使用的原材料均来自月面原位资源，适用于资源紧缺的月面制造以及未来月球基地的大型构件或承重结构的3D打印制造。

为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种面向月面环境的高强度零部件3D打印方法，该方法包括：

熔化月面探测器废弃的着陆器中的金属以形成金属液滴；预置一层月壤颗粒；采用喷射金属液滴的方式对预置好的月壤颗粒进行液滴粘接；通过层层堆叠的方式3D打印成形高强度零部件。

月面探测器废弃的着陆器有益效果：本发明的所有材料均为月面原位资源，无需地面携带3D打印所需原材料；本发明采用金属作为粘接剂，能获得高强度的月壤/金属复合材料，能同时保证成形零部件的强度和塑性。

优选地，采用电磁感应加热方式熔化废弃着陆器中的金属。