本發(fā)明涉及航天微推進(jìn)劑技術(shù)領(lǐng)域，具體地說,涉及一種基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法。

背景技術(shù)：

隨著宇宙空間任務(wù)的與日俱增，各個(gè)國家對(duì)執(zhí)行空間任務(wù)的衛(wèi)星研制需求越來越大；在眾多衛(wèi)星中，微小衛(wèi)星的發(fā)展具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)，具有體積小、重量輕、研制周期短、發(fā)射成本低的特點(diǎn)，并且多個(gè)微小衛(wèi)星可進(jìn)行編隊(duì)飛行，完成大型衛(wèi)星難以完成的任務(wù)。相對(duì)于大型衛(wèi)星，微小衛(wèi)星需要能為其提供更加精確的姿態(tài)、軌道調(diào)整和位置保持的微推進(jìn)系統(tǒng)，在微推進(jìn)系統(tǒng)中，由于成本低、體積小、質(zhì)量輕、集成度高的優(yōu)勢(shì)，基于MEMS技術(shù)的微推進(jìn)系統(tǒng)脫穎而出。合適的微發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室裝藥方式是固體微推進(jìn)系統(tǒng)中極其重要的部分，但由于微型固體發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室直徑從亞毫米級(jí)到毫米級(jí)，普通的裝藥方式很難實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑的裝填。因此，新型推進(jìn)劑裝填方式的研究以及固體微小藥柱的制作研究是推動(dòng)固體化學(xué)微推進(jìn)系統(tǒng)的重要部分。

發(fā)明專利201010298635.8公開了“一種固體微藥柱擠壓式成型裝置”，該成型裝置由推桿、擠壓筒、堵蓋以及推進(jìn)劑成型模具組成，通過推桿向前推進(jìn)，使擠壓筒內(nèi)產(chǎn)生一定壓力將糊狀推進(jìn)劑擠壓進(jìn)推進(jìn)劑成型模具孔內(nèi)，固化成型。該成型裝置可實(shí)現(xiàn)固體微藥柱的制作，但其只能實(shí)現(xiàn)實(shí)心藥柱的制作，且這種制作方式會(huì)產(chǎn)生許多氣泡殘留在微藥柱內(nèi)，無法使固體微藥柱達(dá)到很高的致密度。

發(fā)明專利201310314641.X“含能材料噴墨打印快速成型裝置”中提出了一種基于光固化的含能材料微藥柱快速成型方法、設(shè)計(jì)了一套微藥柱打印成型裝置。

在文獻(xiàn)“含能油墨配方設(shè)計(jì)及其在微孔裝藥中的應(yīng)用”(爆破器材，2015,44(5)：1-9)中,針對(duì)不同的含能油墨配方設(shè)計(jì)進(jìn)行了微孔裝藥實(shí)驗(yàn)研究?；谠撗b置以及不同的油墨配方,實(shí)現(xiàn)毫米及亞毫米尺度下含能材料的噴墨打印，結(jié)合火工品技術(shù)和微機(jī)械加工技術(shù),為微型火工品快速裝藥技術(shù)提供優(yōu)選方案。但是,由于含能油墨配方中光引發(fā)劑或光敏樹脂需要占據(jù)一定的比例，減少了成型微藥柱中含能材料的比重，且粉末狀含能材料的加入對(duì)成型精度也有很大的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了避免現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提出一種基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法，通過控制與控制桿相連的三維移動(dòng)控制平臺(tái)及打印機(jī)噴頭加熱室，將含能材料通過熔化堆積重塑的方式，打印成適用于固體微推進(jìn)器的各種形狀和尺寸的微藥柱。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:基于3D打印的微藥柱成型裝置，其特征在于包括密封艙、控制閥、控制桿、粉末入口、加熱室、噴嘴、基板、滑板、三維移動(dòng)控制平臺(tái)，所述密封艙為長方體結(jié)構(gòu)，側(cè)壁面中間有密封門以單邊鉸接與密封艙側(cè)壁連接，密封艙通過管路和第一進(jìn)氣閥與保護(hù)氣瓶連接，密封艙側(cè)壁下方連接有第二出氣閥，密封艙體上安裝有壓力傳感器，基板固定在密封艙內(nèi)底部；

所述三維移動(dòng)控制平臺(tái)包括橫向滑塊、縱向滑塊、豎向滑塊，橫向滑塊固定在密封艙內(nèi)頂板上中心部位，縱向滑塊設(shè)置在橫向滑塊下部，且平行于橫向滑塊中軸線移動(dòng)，豎向滑塊垂直安裝在縱向滑塊側(cè)面，豎向滑塊在縱向滑塊側(cè)面平行于縱向滑塊中軸線移動(dòng)；滑板安裝在豎向滑塊側(cè)面，加熱室位于三維移動(dòng)控制平臺(tái)下方，加熱室與滑板通過控制桿固連；

所述加熱室頂部有粉末入口和控制閥，粉末入口一側(cè)有加壓氣孔，加熱室通過管路和第二進(jìn)氣閥、第一出氣閥與保護(hù)氣瓶連接，加熱室底部有噴嘴。

一種采用基于3D打印的微藥柱成型裝置打印微藥柱的方法，其特征在于包括以下步驟:

步驟1.對(duì)微藥柱模型設(shè)計(jì)，根據(jù)所需微型固體藥柱模型的尺寸和形狀要求，通過三維建模建立微藥柱模型；

步驟2.將設(shè)計(jì)完成的微藥柱模型轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)識(shí)別的格式，在與打印機(jī)配套的處理軟件中進(jìn)行分層、定位，準(zhǔn)備打?。?/p>

步驟3.將密封艙、加熱室通過管路和控制閥與保護(hù)氣瓶連接，準(zhǔn)備所需打印的含能材料；

步驟4.將含能材料粉末通過加熱室的粉末入口緩慢注入打印機(jī)噴頭加熱室，關(guān)閉控制閥，將加熱室溫度設(shè)置在高于所打印含能材料熔點(diǎn)3～5°，并開始加熱；

步驟5.打開第一進(jìn)氣閥，緩慢通氣3分鐘后打開第二出氣閥，通入保護(hù)氣10分鐘，排出密封艙內(nèi)的空氣，使微藥柱打印過程在有保護(hù)氣的環(huán)境下進(jìn)行，關(guān)閉第二出氣閥和第一進(jìn)氣閥；

步驟6.設(shè)置與加熱室相連的保護(hù)氣瓶中氣壓為高于大氣壓0.1～0.2MPa，待加熱室加熱10分鐘后，關(guān)閉第一出氣閥，同時(shí)打開第二進(jìn)氣閥，向加熱室緩慢通入保護(hù)氣，使加熱室內(nèi)氣壓與設(shè)置的保護(hù)氣瓶中的氣壓保持平衡；

步驟7.根據(jù)所需噴嘴出口質(zhì)量流率的不同，調(diào)節(jié)控制加熱室內(nèi)壓強(qiáng)高于密封艙內(nèi)壓強(qiáng)0.1～0.2MPa，打印機(jī)噴頭開始工作，通過層層疊加的方式打印出設(shè)計(jì)形狀的微藥柱；

步驟8.打印結(jié)束后，關(guān)閉加熱室開關(guān)停止加熱，關(guān)閉第二進(jìn)氣閥，打開第一出氣閥，使加熱室內(nèi)氣壓恢復(fù)到1個(gè)大氣壓，液體停止從噴嘴噴出，等待5分鐘后打開密封門，取出基板上的打印完成的成型微藥柱，備使用。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法，基于部分含能材料著火點(diǎn)高于熔點(diǎn)15度以上的特性，將粉末狀的該含能材料置于打印機(jī)噴頭加熱室內(nèi)加熱熔化，向加熱室緩慢通入保護(hù)氣，當(dāng)加熱室氣壓高于噴嘴外密封艙氣壓0.1～0.2MPa時(shí)，加熱室內(nèi)熔化的含能材料以一定的速度通過噴嘴流出。由于針孔形噴嘴直徑非常小，且密封艙內(nèi)溫度低于含能材料熔點(diǎn)，液態(tài)的含能材料在打印機(jī)噴頭指定的位置迅速凝固，通過層層疊加的方式打印出設(shè)計(jì)形狀的微藥柱。

本發(fā)明基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法，通過壓差控制液態(tài)含能材料的流出，具有結(jié)構(gòu)簡單，工程上容易實(shí)現(xiàn)，成本低的特點(diǎn)；從設(shè)計(jì)到打印完成耗時(shí)較少；無需復(fù)雜的加工工藝流程。

(1)將含能粉末材料通過熔化堆積重塑的3D打印方式打印微藥柱，打印方式成型簡單，適用于多種含能材料的快速打印成型。

(2)通過三維模型打印出微藥柱，可實(shí)現(xiàn)空心圓柱及任意形狀微藥柱的3D打印成型，且含能材料浪費(fèi)較少。

(3)微藥柱在3D打印成型過程中，除含能材料外不需要添加任何其它物質(zhì)。

(4)采用3D打印方法成型微藥柱，工藝流程時(shí)間短；適用于微推進(jìn)系統(tǒng)各種結(jié)構(gòu)形式對(duì)藥柱的需求。

附圖說明

下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明一種基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為本發(fā)明基于3D打印的微藥柱成型裝置示意圖。

圖2為本發(fā)明基于3D打印的微藥柱成型裝置的加熱室示意圖。

圖3為本發(fā)明基于3D打印的微藥柱成型裝置的三維移動(dòng)控制平臺(tái)示意圖。

圖中:

1.第一進(jìn)氣閥 2.第二進(jìn)氣閥 3.第一出氣閥 4.橫向滑塊 5.縱向滑塊 6.豎向滑塊 7.滑板 8.控制桿 9.粉末入口 10.控制閥 11.加熱室 12.噴嘴 13.成型微藥柱 14.密封艙 15.第二出氣閥 16.基板

具體實(shí)施方式

本實(shí)施例是一種基于3D打印的微藥柱成型裝置及其方法，在密閉艙內(nèi)充滿保護(hù)氣的環(huán)境下進(jìn)行單組分固體微藥柱的3D打印流程。根據(jù)部分含能材料著火點(diǎn)高于熔點(diǎn)15度以上的特性，將粉末狀的該含能材料置于打印機(jī)噴頭加熱室內(nèi)加熱熔化，并向加熱室緩慢通入保護(hù)氣，當(dāng)加熱室氣壓高于噴嘴外密封艙氣壓0.1～0.2MPa時(shí)，加熱室內(nèi)熔化的含能材料以一定的速度通過噴嘴流出。由于針形噴嘴直徑非常小，且密封艙內(nèi)溫度遠(yuǎn)低于含能材料熔點(diǎn)，液態(tài)的含能材料在打印機(jī)噴頭指定的位置迅速凝固，通過層層疊加的方式打印出設(shè)計(jì)形狀的成型微藥柱。

參閱圖1～圖3，本實(shí)施例基于3D打印的微藥柱成型裝置,由第一進(jìn)氣閥1、第二進(jìn)氣閥2、第一出氣閥3、滑板7、控制桿8、粉末入口9、控制閥10、加熱室11、噴嘴12、密封艙14、第二出氣閥15、基板16、三維移動(dòng)控制平臺(tái)和兩個(gè)保護(hù)氣瓶及壓力傳感器組成；密封艙14為長方體結(jié)構(gòu)，側(cè)面中間部位開有密封門,并以單邊鉸接與密封艙側(cè)壁連接，密封艙門加裝密封墊。密封艙14通過管路和第一進(jìn)氣閥1與保護(hù)氣瓶連接，密封艙14側(cè)壁下方連接有第二出氣閥15，密封艙14體前壁面上加工有螺孔用于安裝壓力傳感器，基板16固定在密封艙14內(nèi)底部。

三維移動(dòng)控制平臺(tái)安裝在密封艙14內(nèi)。三維移動(dòng)控制平臺(tái)包括橫向滑塊4、縱向滑塊5、豎向滑塊6，橫向滑塊4固定在密封艙14內(nèi)頂板上中心部位，縱向滑塊5設(shè)置在橫向滑塊4下部，且平行于橫向滑塊4中軸線移動(dòng)，豎向滑塊6垂直安裝在縱向滑塊5側(cè)面，豎向滑塊6在縱向滑塊5側(cè)面平行于縱向滑塊中軸線移動(dòng)，滑板7安裝在豎向滑塊6側(cè)面。加熱室11安裝在密封艙內(nèi)位于三維移動(dòng)控制平臺(tái)的下方,加熱室11與滑板7通過控制桿8固定連接。加熱室11頂部有粉末入口9和控制閥10，加熱室頂部的粉末入口9一側(cè)加工有加壓氣孔，加熱室11通過管路和保護(hù)氣瓶連接，第二進(jìn)氣閥2與第一出氣閥3分別連接在管路上；加熱室11底部加工有針孔噴嘴12。

一種采用基于3D打印的微藥柱成型裝置打印微藥柱的方法，其特征在于包括以下步驟:

(1)打印前，對(duì)微藥柱模型設(shè)計(jì)，根據(jù)所需微型固體藥柱模型的尺寸和形狀要求，在3D打印機(jī)精度允許的范圍內(nèi)通過三維建模建立微藥柱模型；本實(shí)施例中的微藥柱模型是內(nèi)徑為0.4mm、外徑為0.6mm、高為0.9mm的空心圓柱形微藥柱。

(2)將設(shè)計(jì)完成的微藥柱模型轉(zhuǎn)換成3D打印機(jī)識(shí)別的格式，在與打印機(jī)配套的處理軟件中進(jìn)行分層、定位，準(zhǔn)備打印。

(3)將密封艙、加熱室通過管路和控制閥與保護(hù)氣瓶連接，準(zhǔn)備所需打印的含能材料。

(4)將含能材料粉末通過加熱室的粉末入口緩慢注入打印機(jī)噴頭加熱室，關(guān)閉控制閥，將加熱室溫度設(shè)置在高于所打印含能材料熔點(diǎn)3～5°，并開始加熱。

(5)打開第一進(jìn)氣閥，緩慢通氣3分鐘后打開第二出氣閥，通入保護(hù)氣10分鐘，排出密封艙內(nèi)的空氣，使微藥柱打印過程在有氬氣保護(hù)的環(huán)境下進(jìn)行，然后關(guān)閉第二出氣閥與第一進(jìn)氣閥。

(6)設(shè)置與加熱室相連的保護(hù)氣瓶中氣壓為高于大氣壓0.1～0.2MPa，待加熱室加熱10分鐘后，關(guān)閉第一出氣閥，同時(shí)打開第二進(jìn)氣閥，向加熱室緩慢通入保護(hù)氣，使加熱室內(nèi)氣壓與設(shè)置的保護(hù)氣瓶中的氣壓保持平衡。

(7)根據(jù)所需噴嘴出口質(zhì)量流率的不同，調(diào)節(jié)控制加熱室內(nèi)壓強(qiáng)高于密封艙內(nèi)壓強(qiáng)0.1～0.2MPa，打印機(jī)噴頭開始工作，通過層層疊加的方式打印出設(shè)計(jì)形狀的微藥柱。

(8)打印結(jié)束后，關(guān)閉加熱室開關(guān)停止加熱，關(guān)閉第二進(jìn)氣閥，打開第一出氣閥，使加熱室內(nèi)氣壓恢復(fù)到1個(gè)大氣壓，液體停止從針孔形噴嘴噴出，等待5分鐘后打開密封門，取出基板上的打印完成的成型微藥柱,備使用。

(9)整理實(shí)驗(yàn)儀器，關(guān)閉各個(gè)閥門、電源，實(shí)驗(yàn)結(jié)束。