太空环境下的FDM3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法

摘要

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于太空环境下的FDM3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法。本发明是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水,然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。本发明解决了微重力的太空环境下的3D打印问题；可以用于太空环境下的3D打印。

说明书

技术领域

本发明涉及3D打印设备技术领域，尤其是一种适用于太空环境下的FDM3D打印实现方法、打印系统及喷丝流量控制方法。

背景技术

3D打印，是快速成型技术的一种，它是通过软件将3D数字模型进行分层离散化处理为基础，以累积制造技术成型。3D打印优势在于：制造复杂物品不增加成本，可以打印太空飞船中所需的复杂零部件；3D打印技术属于加式制造范畴，比传统制造节省材料，使得太空任务零件的打印材料需求最小化；通过创建精确的副本或优化原件，能够精确的实体复制，同时可以完成扫描、编辑和复制实体对象的任务。3D打印技术可选用的材料众多，常用材料有PLA、ABS树脂、耐用性尼龙材料、石膏材料、铝材料、钛合金、不锈钢、镀银、镀金、橡胶类材料等，也可将材料进行组合。3D打印的这些优势运用在太空中非常合适。例如：3D打印的个性化制造和经济性可减少飞船自带备用零部件，降低宇宙空间探索预算，同时允许把更多成本用在其他需求上。航空航天飞船自身拥有制造能力，也对太空长期任务(如探寻其它星球)有开创性作用，使宇航员在太空中有更大程度的自主权和灵活性。

传统FDM3D打印机的工作原理是将低熔点丝状材料通过送丝机构送到加热器，加热熔化成液体，通过喷头挤出，层层叠加，如此反复逐层沉积，直到最后一层，这样逐层由底到顶地堆积成一个实体模型或零件。但是传统的3D打印机工作在地球上，地球重力可以保证熔融材料从喷头中挤出且不需要密封条件。而在太空上原有的重力条件变成了微重力状态，因而我们需要在喷头产生一定的压力让材料能够从喷头中挤出并配合喷洒胶水成型。为了保证宇航员的健康和仪器的正常使用，太空3D打印技术需要在密封条件下工作，达到为太空探索的航空器件提供备用零件的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题之一在于提供一种太空环境下的FDM3D打印实现方法，实现太空微重力环境下的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的FDM3D打印系统，实现太空微重力环境下的3D打印。

本发明解决的技术问题之三在于提供一种太空环境下的FDM3D打印系统的喷丝流量控制方法，以实现3D打印机在太空中的打印能力，最终有效解决飞船制造能力的问题。

本发明解决上述技术问题之一的技术方案是：

所述的方法是设置胶水喷头和增压喷头，通过胶水喷头先在程序指定区域先喷洒一层胶水，然后，增压喷头对热熔性的丝材熔融、增加输送；熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；通过控制增压喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程；从而实现实体的打印。

所述的成型过程全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

本发明解决上述技术问题之二的技术方案是：

所述的打印系统包含有中央控制系统、热熔性丝材、料盘、增压喷头、升降工作台、送丝机构、热熔性胶棒、胶水喷头等部分；3D打印机外接中央控制系统控制分层等处理软件，将CAD模型分层切片处理生成STL数控代码；热熔性丝材缠绕在料盘上，由送丝机构驱动料盘旋转；热熔性丝材、热熔性较棒在送丝机构的摩擦力作用下向改进型增压喷头、胶水喷头送出，其中，胶水喷头用于每层打印前喷洒胶水；先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型；随后改进型增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，材料冷却后便形成了工件的轮廓。

所述的改进型增压喷头包含有气体入口、圆锥收缩段、圆筒形喉管、加热机构、圆锥扩散段、挤料出口、输料管路、输料管路内通道、输料管路缩口；气体入口下依序为圆锥收缩段、圆筒形喉管、圆锥扩散段和挤料出口；同时，圆筒形喉管连接输料管路；输料管路另一端为输料管路缩口；输料管路内有输料管路内通道；加热机构设置在圆筒形喉管、圆锥扩散段和输料管路外，对该部分进行加热；当增压气体从气体入口进入，并通过圆锥收缩段，此时高速流动的气体通过圆筒形喉管气流由粗变细以加快气体流速产生低压，从而在圆筒形喉管处产生吸附作用；通过加热机构时，会使得输料管路内通道的丝材形成熔融状态，到了低压的圆筒形喉管会因为吸附作用随着空气混合并一起进入圆锥扩散段，最后通过挤料出口挤出成型。

所述的胶水喷头与改进型增压喷头的结构一致。

所述的打印系统在料盘和增压喷头之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘到增压喷头。

打印系统采取全密封环境设计；3D打印机在完成实体打印并冷却一段时间后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

本发明解决上述技术问题之三的技术方案是：

所述的方法是利用改进型增压喷头结构，喷管高压空气流从小孔吹出的方式而使熔融材料产生真空引力引起气液在混合室混合；即在改进型增压喷头的气体入口和挤料出口之间有一个横截面缩小的圆筒形喉管；当气体或液体在其内流动，在管道的最窄处，动态压力达到最大值，静态压力达到最小值；气体或液体的速度因为涌流横截面积变化的关系而上升；可以由空气吹出速度的大小来调节真空度的大小和熔融材料流量；根据伯努利定律方程计算可以得到其流速和流量，并控制压力大小。

在计算出口流量时，根据理想状况下不考虑流体受到的阻力作用，气体入口和圆筒形喉管截面面积分别为A₁、A₂，气体入口和圆筒形喉管流速分别为v₁，v₂、位能分别为z₁，z₂、动能修正系数为α₁，α₂，ρ代表流体密度，在管道半径已定的情况下，流量Q仅与变量压力p₁，p₂有关，p₁：文丘里管进口压力pa；p₂：喉管进口压力pa。

出口流量为以下公式如下，对两断面列伯努利方程有：

$>z_1+\frac{p_1}{\rho g}+\frac{{\alpha }_1{v_1}^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\rho g}+\frac{{\alpha }_2{v_2}^2}{2g}---\left(1\right)$>

连续性方程：Q＝v₁A₁＝v₂A₂

$>Q=v_1\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}=v_2\frac{{{\mathrm{\pi d}}_2}^2}{4}---\left(2\right)$>

由(1)、(2)两式联立可得：

$>Q=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2g[(z_1+p_1/\rho g)-(z_2+p_2/\rho g)]}$>

考虑到太空环境下的微重力条件g≈0，将公式化简得

$>Q=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2g(z_1-z_2)+2\left(\frac{p_1-p_2}{\rho }\right)}=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2\left(\frac{p_1-p_2}{\rho }\right)}.$>

有益效果：

本发明的实用性在于该系统可以将3D打印运用在航空航天领域，特点在于克服了微重力情况下3D打印材料难以挤出，即使挤出也难以成行的弊端，优势在于只需携带相应材料即可在太空中完成制造，一大批设备不用从地球上直接携带，这样将增强太空任务的可靠性和安全性，大大降低太空任务的预算。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明3D打印喷头的主视图；

图2是本发明3D打印机的原理图；

图3是本发明3D打印机的成型处理流程图；

图4是本发明3D打印成型系统调控图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明3D打印文丘里管喷头的主视图；包含有气体入口101、圆锥收缩段102、圆筒形喉管103、加热机构104、圆锥扩散段105、挤料出口106、输料管路107、输料管路内通道109、输料管路缩口108。其中，增压气体从入口101进入，并通过圆锥收缩段102，此时高速流动的气体通过圆筒形喉管103气流由粗变细以加快气体流速产生低压，从而在圆筒形喉管103处产生吸附作用。喉部的另一端连接输料管路107，通过加热机构104时，会使得输料管路内通道109的丝材形成熔融状态，到了低压的圆筒形喉管103会因为吸附作用随着空气混合并一起进入圆锥扩散段105，最后通过挤料出口106挤出成型。

在计算出口流量时，根据理想状况下我们不考虑流体受到的阻力作用，气体入口101和圆筒形喉管103截面面积分别为A₁、A₂，气体入口101和圆筒形喉管103流速分别为v₁，v₂、位能分别为z₁，z₂、动能修正系数为α₁，α₂，ρ代表流体密度，在管道半径已定的情况下，流量Q仅与变量压力p₁，p₂有关，p₁：文丘里管进口压力pa；p₂：喉管进口压力pa。

出口流量为以下公式如下，对两断面列伯努利方程有：

$>z_1+\frac{p_1}{\rho g}+\frac{{\alpha }_1{v_1}^2}{2g}=z_2+\frac{p_2}{\rho g}+\frac{{\alpha }_2{v_2}^2}{2g}---\left(1\right)$>

连续性方程：Q＝v₁A₁＝v₂A₂

$>Q=v_1\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}=v_2\frac{{{\mathrm{\pi d}}_2}^2}{4}---\left(2\right)$>

由(1)、(2)两式联立可得：

$>Q=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2g[(z_1+p_1/\rho g)-(z_2+p_2/\rho g)]}$>

考虑到太空环境下的微重力条件g≈0，将公式化简得

$>Q=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2g(z_1-z_2)+2\left(\frac{p_1-p_2}{\rho }\right)}=\frac{\frac{{{\mathrm{\pi d}}_1}^2}{4}}{\sqrt{{\left(\frac{{d_1}^2}{{d_2}^2}\right)}^4-1}}\sqrt{2\left(\frac{p_1-p_2}{\rho }\right)}$>

如图2所示，是本发明FDM工艺熔融沉积制造3D打印机原理图；包含有中央控制系统201、热熔性丝材(通常为ABS或PLA材料)202、料盘203、增压喷头204、升降工作台205、送丝机构206、热熔性胶棒207、胶水喷头208等部分。3D打印机外接中央控制系统201控制分层等处理软件，把CAD模型分层切片处理生成STL数控代码，热熔性丝材202缠绕在料盘203上，由送丝机构206驱动料盘203旋转。热熔性丝材202、热熔性胶棒207在主动辊与从动辊(即送丝机构206)的摩擦力作用下向改增压喷头204、胶水喷头208送出，在料盘203和增压喷头204之间有一导向套，导向套采用低摩擦力材料制成以便材料能够顺利准确地由料盘203送到增压喷头204。

其中，胶水喷头208用于每层打印前喷洒胶水；控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。随后增压喷头204根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，在胶水和加压挤出熔融丝材共同作用下，克服了常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端，材料冷却后便形形成了工件的轮廓。成型过程必须全密封设计，当3D打印机在完成实体后，开启吸尘设备吸收打印设备的微尘，再由机械手臂将实体放置于隔离区，采用隔离玻璃将3D打印工作区域隔离，取出实体。

如图2、1所示，是本发明3D打印胶水喷头与增压喷头的结构同步，不同之处在于胶水喷头使用的原材料是热熔性胶棒(图2中有标出)，热熔性胶棒从输料管路107进入，工作温度为160℃一180℃。在微重力状态下，胶水喷头在基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，随后增压喷头根据程序的指定按照同一轨迹喷丝成型，喷洒胶水的目的是熔融喷丝挤出后在微重力状态下粘黏成型。

如图3所示，是本发明3D打印机的成型处理流程图；常规3D打印无法在微重力条件下成型，主要受到两方面影响：1、物料挤出受限；2、实物堆积成型困难。本发明分别采用胶水喷头粘黏和改进型太空打印喷头来解决这两个问题，并在共同作用下解决常规3D打印无法在微重力条件下成型的弊端。即控制端基于PC机先控制胶水喷头在程序制定区域先喷洒一层胶水，再控制喷头的运动从而控制熔融喷丝流量的大小与挤出粘黏成型过程。

如图4所示，本发明3D打印成型系统调控图。太空成型细节通过PC机控制图形切片软件生成STL模型，中央控制系统控制胶水喷头和增压喷头成型实物。增压喷头可控制喷丝流量与压力大小。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。