[发明专利]一种面向真空环境的阻热节能式FDM打印头

说明书

本发明公开了一种面向真空环境的阻热节能式FDM打印头，该打印头由连接导向器、被动阻热器、加热器和喷嘴构成。在真空无对流环境中，采用稳定节能的阻热方式，利用高阻热材料的被动控温特性，配合传导接触面积优化设计，使被动阻热器快速降温，防止物料堵塞。一方面，解决真空环境中风冷失效问题，避免液冷导致的系统附件与功耗增加，有利于设备小型化；另一方面，最大限度避免加热器的热量被散热机构耗散，降低热量损耗。该FDM打印头适用于空间增材制造，在舱外真空环境与有限空间资源约束条件下，满足聚合物及其复合材料、金属合金及其复合材料、无机非金属及其复合材料的挤出成形，有助于空间环境中连续、低耗、可靠的熔融/融化沉积增材制造。

技术领域

本发明属于空间增材制造领域，具体涉及一种面向真空环境的阻热节能式FDM打印头。

背景技术

随着航天技术的不断发展，深空探测基地建设、空间站功能扩展、高分辨率对地观测等空间任务对大型、轻质、高强的空间结构/设施需求日益增强，但受火箭运载能力、发射过程严苛力学条件及高昂运载成本的限制，难以使用现有“地面制造发射，空间展开应用”的传统运营模式。舱外在轨增材制造，即在空间站舱外太空环境开展的增材制造，可突破火箭包络与运载能力限制，大幅降低发射成本，是实现大型空间结构/设施在轨构建的有效途径，已成为世界航天大国争夺空间探测战略制高点的关键核心技术之一。

不同于舱内在轨增材制造，除了空间微重力作用，以熔融沉积成形(FDM)技术为代表的舱外在轨增材制造面临真空、热辐射、带电粒子辐射、紫外辐射、温度交变等恶劣环境挑战。尤其伴随在轨高度变化，空间轨道环境的真空度达到10^-3～10^-12pa，不仅可能使打印材料出现升华、分解、出气、干摩擦等不良效应，空气的热对流与热传导作用缺失使辐射成为非接触物体间唯一的热传递方式，将直接导致熔融挤出过程中挤出物料、散热器、热熔腔、热熔喷嘴等零件及系统间的热传递过程发生本质变化；伴随对流介质的消失，传统熔融挤出成形中强制对流风扇冷却打印头已无法使用。

同时，有别于地面增材制造，舱外在轨熔融/融化沉积成形不仅受空间极端环境的严重影响，还面临空间资源的苛刻限制，即对打印系统/装备体积、重量、功率等多方面的极限约束。因此，对高熔点聚合物及其复合材料、金属合金及其复合材料、无机非金属及其复合材料的熔融/熔化沉积成形，以单级或多级液冷/气冷为代表的主动控温式打印头，其相对复杂的循环管路以及开关阀、泵体等附加配件，带来了额外的体积、重量与功率损耗，不利于舱外真空环境中的熔融/熔化沉积增材成形。

除此之外，气冷/液冷散热方式存在功率损耗问题，耗散了本应用于熔融/融化物料的热能量。基于此，美国相关研究提出的真空辐射散热方案，即使用大面积铜环散热器代替气冷/液冷，仍无法解决功率损耗问题，同时还增大了打印头的体积与重量，不利于空间极端功率约束条件下的舱外增材成形。

现有技术中，如申请号CN112373035A的发明专利公开的一种适用于高温热塑性塑料的精确控温3D打印头及使用方法，打印头包括：真空高效隔热筒、隔热垫、通风筒形支架、加热块、加热棒、热敏传感器、超长打印头、多孔冷却管和隔热套；所述真空高效隔热筒的上部通过所述隔热垫，与所述通风筒形支架连接固定。该发明可以实现高温打印头安装的隔热保温、打印头温度的控制以及打印局部环境的控制，提高温度控制精度，能够较好地控制打印产品的冷却结晶过程，提高产品成型质量，可以应用于高温特种工程塑料3D打印领域。但由于在舱外真空环境与有限空间资源约束条件下，空气热对流与热传导作用缺失，该专利并不适用于真空环境。

目前，舱外在轨熔融/熔化沉积成形增材制造处于技术发展初期，即概念设计向工程样机转化阶段，舱外真空环境中，打印系统/装备体积、重量与功率约束下，如何克服热传递变化带来的温控问题，在无空气对流与传导的环境中，保证挤出打印头连续低耗挤出物料，已成为舱外在轨增材制造所必须克服的关键技术瓶颈；对于物料挤出过程中熔凝行为、热主导成形过程变化对舱外在轨大型增材制件精度与强度影响等基础科学问题的研究，舱外增材制造装备/系统研制、舱外大型空间结构在轨构建等工程问题的探索实践，均具有十分重要的意义。