一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法

摘要

一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法，3D打印机包括多自由度机械手，多自由度机械手安放于基面中，多自由度机械手内部中装有应急蓄电池以及中央处理器，多自由度机械手外部连接有高储能介质热量收集器，多自由度机械手与太空3D打印头相连，高储能介质热量收集器通过导管与太空3D打印头连接，太空3D打印头外部附着曲面扫描识别装置，曲面扫描识别装置与中央处理器连接，太空3D打印头保证了太空3D打印的可实施性，利用高储能介质热量收集器、微流道与导管进行能量的收集、利用与控制，采用多自由度机械手与曲面扫描识别装置，以任意角度和任意运动轨迹在基面上进行3D打印，实现了太空3D打印的灵活性。

说明书

技术领域

本发明涉及太空3D打印技术领域，具体涉及一种面向太空复杂 环境的多自由度3D打印机及打印方法。

背景技术

随着宇航技术的发展，人类对于远空探索、建立空间站、建设外 星球基地乃至星球移民的科技梦想越来越接近于现实。但是，由于宇 航器运输货物上行至外太空的高昂成本，以及向太空深处运输的不可 行性，这些太空探索梦想的实现就在很大程度上需要依赖着太空制造 技术的发展。如何实现在复杂的太空环境下进行在轨制造，以及进行 在轨修复，从而获得探索太空过程中所需的工具与装备，以及应对紧 急突发情况，是太空探索成败与否的关键。目前，我国正处于宇航技 术全面发展的关键时期，具备太空制造技术与能力至关重要，然而， 由于空间环境的特殊性，如大温差、高真空和强辐射等，对太空制造 技术有着极大的限制。

3D打印技术，尤其是熔融沉积成型3D打印技术是指材料在喷 头内被加热熔化，喷头沿零件截面轮廓和填充轨迹运动，同时将熔化 的材料挤出，材料迅速固化，并与周围的材料粘结，然后再通过层层 累加方法快速制造出所需零件的一种先进制造方法，其采用的材料一 般是热塑性材料，如蜡、ABS、PC、尼龙等，以丝状供料。目前， 由于该技术具有可制造任意复杂零件，拥有较好的打印自由度，对于 热塑性材料的适用度广以及结构简单、成本低廉等优点，在工业生产 及日常生活中越来越具有实际应用价值。

由此可见，3D打印技术可以很好地作为太空制造技术发展的一 个选择，然而，目前的3D打印方法在太空条件下还有如下几个瓶颈 问题：

1)目前的3D打印方法尚无考虑到太空的复杂环境，如大温差、 高真空和强辐射等，因此，不能保证其在这样的条件下能够顺利工作；

2)现有的3D打印方法拥有的自由度较少，难以满足在太空中 进行灵活打印，从而能够高效、可靠地制造出任意复杂的零件；

3)现有的3D打印方法暂时无法实现实时的曲面识别，以及零 件的智能修复打印，难以满足紧急情况下的零件修复工作。

发明内容

为了克服上述现有3D打印方法的缺点，本发明的目的在于提供 一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及打印方法，3D打印 机能够在太空高真空、大温差、强辐射的太空复杂环境下进行3D打 印工作。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括多自由度机 械手2，多自由度机械手2一端安放于基面1中，基面1是宇航平台 表面或外星球地面，多自由度机械手2内部装有应急蓄电池10以及 与蓄电池10连接的中央处理器9，多自由度机械手2外部连接有高 储能介质热量收集器4，多自由度机械手2另一端与太空3D打印头 3相连，高储能介质热量收集器4能够吸收恒星辐射能5，高储能介 质热量收集器4通过导管6与太空3D打印头3连接，将收集到的热 量传输给太空3D打印头3，太空3D打印头3外部附着曲面扫描识 别装置7，曲面扫描识别装置7通过数据线8与中央处理器9连接；

所述太空3D打印头3包括打印头外壳11，打印头外壳11中均 匀分布有微流道14，微流道14入口与导管6连通，微流道14出口 和柔性涂刷15内孔道连通，柔性涂刷15上部附着于打印头外壳11 下，下部直接与基面1接触，打印头外壳11内部与打印头熔融腔13 之间设有气体交换层12，热塑性丝材18进入到打印头熔融腔13内 融化，并从打印头熔融腔13前端的打印头前孔17挤出。

所述的面向太空复杂环境的多自由度3D打印机的打印方法，包 括下列步骤：

1)首先，曲面扫描识别装置7在基面1上进行对于其表面的扫 描识别，并通过数据线8将获得的数据传输到中央处理器9中，中央 处理器9根据接收到的数据以及原先内置的模型数据，进行三维模型 的重新建立与打印路径的生成，并将控制信号发送到多自由度机械手 2与太空3D打印头3上；

2)多自由度机械手2根据接收到的控制信息，带动太空3D打 印头3在基面1上按照打印路径进行多自由度的运动，同时，一直在 接收恒星辐射能5的高储能介质热量收集器4，通过导管6将热量供 给太空3D打印头3，保证其温度稳定在略高于热塑性丝材18熔点的 温度上；

3)在太空3D打印头3中，微流道14将过导管6导入的热量用 来进行太空3D打印头3的加热和维持打印头微环境温度的稳定，同 时，柔性涂刷15内孔道通过微流道14导入的热量加热柔性涂刷15；

4)随着多自由度机械手2的运动，柔性涂刷15清理并预热基面 1，并且，热塑性丝材18根据控制信息进入到打印头熔融腔13内， 被加热成熔融热塑性材料16，并从打印头前孔17挤出，期间材料熔 融时所产生气体通过气体交换层12排出；

5)被挤出的材料附着在基面1上，并根据控制信息与模型数据， 逐渐累积成所需的模型，从而完成打印或是修复工作，存储电能的应 急蓄电池10在紧急断电或没有恒星辐射能5的情况下，给多自由度 机械手2与太空3D打印头3供电供能，以保证3D打印工作的顺利 进行。

本发明的优点：本发明考虑到了主要的太空复杂环境，采用集表 面清理、表面预热、辐射屏蔽、熔融气体安全处理与零件后处理功能 于一体的功能复合型太空3D打印头3，保证了太空3D打印的可实 施性；同时，利用高储能介质热量收集器4、微流道14与导管6，进 行能量的收集、利用与控制；并且采用多自由度机械手2与曲面扫描 识别装置7，从而可以以任意角度和任意运动轨迹在基面1上进行3D 打印，实现了太空3D打印的灵活性，以及加强了针对任意复杂结构 零件的制造与修复能力。

附图说明

图1是本发明太空3D打印机的结构示意图。

图2是本发明太空3D打印头3的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

参照图1，一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机，包括 多自由度机械手2，多自由度机械手2一端安放于基面1中，基面1 是宇航平台表面或外星球地面，多自由度机械手2内部中装有应急蓄 电池10以及与蓄电池10连接的中央处理器9，多自由度机械手2外 部连接有高储能介质热量收集器4，多自由度机械手2另一端与太空 3D打印头3相连，高储能介质热量收集器4能够吸收恒星辐射能5， 高储能介质热量收集器4通过导管6与太空3D打印头3连接，将收 集到的热量传输给太空3D打印头3，太空3D打印头3外部附着曲 面扫描识别装置7，曲面扫描识别装置7通过数据线8与中央处理器 9连接；

参照图2，所述太空3D打印头3包括打印头外壳11，打印头外 壳11中均匀分布有微流道14，微流道14入口与导管6连通，微流 道14出口和柔性涂刷15内孔道连通，柔性涂刷15上部附着于打印 头外壳11下，下部直接与基面1接触，打印头外壳11内部与打印头 熔融腔13之间设有气体交换层12，热塑性丝材18进入到打印头熔 融腔13内融化，并从打印头熔融腔13前端的打印头前孔17挤出。

所述的面向太空复杂环境的多自由度3D打印机的打印方法，包 括下列步骤：

1)首先，曲面扫描识别装置7在基面1上进行对于其表面的扫 描识别，并通过数据线8将获得的数据传输到中央处理器9中，中央 处理器9根据接收到的数据以及原先内置的模型数据，进行三维模型 的重新建立与打印路径的生成，并将控制信号发送到多自由度机械手 2与太空3D打印头3上；

2)多自由度机械手2根据接收到的控制信息，带动太空3D打 印头3在基面1上按照打印路径进行多自由度的运动，同时，一直在 接收恒星辐射能5的高储能介质热量收集器4，通过导管6将热量供 给太空3D打印头3，保证其温度稳定在略高于热塑性丝材18熔点的 温度上；

3)在太空3D打印头3中，微流道14将过导管6导入的热量用 来进行太空3D打印头3的加热和维持打印头微环境温度的稳定，同 时，柔性涂刷15内孔道通过微流道14导入的热量加热柔性涂刷15；

4)随着多自由度机械手2的运动，柔性涂刷15清理并预热基面 1，并且，热塑性丝材18根据控制信息进入到打印头熔融腔13内， 被加热成熔融热塑性材料16，并从打印头前孔17挤出，期间材料熔 融时所产生气体通过气体交换层12排出；

5)被挤出的材料附着在基面1上，并根据控制信息与模型数据， 逐渐累积成所需的模型，从而完成打印或是修复工作，存储电能的应 急蓄电池10在紧急断电或没有恒星辐射能5的情况下，给多自由度 机械手2与太空3D打印头3供电供能，以保证3D打印工作的顺利 进行。

本发明所提出的一种面向太空复杂环境的多自由度3D打印机及 打印方法，考虑到太空的复杂环境，如大温差、高真空和强辐射等， 利用高储能介质热量收集器4、微流道14与导管6，为太空3D打印 装置提供材料熔融能量以及保证打印微环境的热稳定性；采用集表面 清理、表面预热、辐射屏蔽、熔融气体安全处理与零件后处理功能于 一体的功能复合型太空3D打印头3，使3D打印头能够在太空高真 空、大温差、强辐射的复杂环境下进行3D打印工作；采用多自由度 机械手2、曲面扫描识别装置7与中央处理器9，实现对于基面1的 识别，并在其上进行自由3D打印与原位零件修复。因此，本发明结 合了太空环境的大温差、高真空和强辐射等特点，解决3D打印工艺 在能源利用、材料性能、过程控制等方面的太空适应性，以及增加了 3D打印的自由度以及零件修复功能。