本發(fā)明涉及太空3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)及打印方法。

背景技術(shù)：
隨著宇航技術(shù)的發(fā)展，人類對(duì)于遠(yuǎn)空探索、建立空間站、建設(shè)外星球基地乃至星球移民的科技?jí)粝朐絹碓浇咏诂F(xiàn)實(shí)。但是，由于宇航器運(yùn)輸貨物上行至外太空的高昂成本，以及向太空深處運(yùn)輸?shù)牟豢尚行?，這些太空探索夢(mèng)想的實(shí)現(xiàn)就在很大程度上需要依賴著太空制造技術(shù)的發(fā)展。如何實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的太空環(huán)境下進(jìn)行在軌制造，以及進(jìn)行在軌修復(fù)，從而獲得探索太空過程中所需的工具與裝備，以及應(yīng)對(duì)緊急突發(fā)情況，是太空探索成敗與否的關(guān)鍵。目前，我國正處于宇航技術(shù)全面發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，具備太空制造技術(shù)與能力至關(guān)重要，然而，由于空間環(huán)境的特殊性，如大溫差、高真空和強(qiáng)輻射等，對(duì)太空制造技術(shù)有著極大的限制。3D打印技術(shù)，尤其是熔融沉積成型3D打印技術(shù)是指材料在噴頭內(nèi)被加熱熔化，噴頭沿零件截面輪廓和填充軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)將熔化的材料擠出，材料迅速固化，并與周圍的材料粘結(jié)，然后再通過層層累加方法快速制造出所需零件的一種先進(jìn)制造方法，其采用的材料一般是熱塑性材料，如蠟、ABS、PC、尼龍等，以絲狀供料。目前，由于該技術(shù)具有可制造任意復(fù)雜零件，擁有較好的打印自由度，對(duì)于熱塑性材料的適用度廣以及結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中越來越具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。由此可見，3D打印技術(shù)可以很好地作為太空制造技術(shù)發(fā)展的一個(gè)選擇，然而，目前的3D打印方法在太空條件下還有如下幾個(gè)瓶頸問題：1)目前的3D打印方法尚無考慮到太空的復(fù)雜環(huán)境，如大溫差、高真空和強(qiáng)輻射等，因此，不能保證其在這樣的條件下能夠順利工作；2)現(xiàn)有的3D打印方法擁有的自由度較少，難以滿足在太空中進(jìn)行靈活打印，從而能夠高效、可靠地制造出任意復(fù)雜的零件；3)現(xiàn)有的3D打印方法暫時(shí)無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的曲面識(shí)別，以及零件的智能修復(fù)打印，難以滿足緊急情況下的零件修復(fù)工作。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了克服上述現(xiàn)有3D打印方法的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)及打印方法，3D打印機(jī)能夠在太空高真空、大溫差、強(qiáng)輻射的太空復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行3D打印工作。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)，包括多自由度機(jī)械手2，多自由度機(jī)械手2一端安放于基面1中，基面1是宇航平臺(tái)表面或外星球地面，多自由度機(jī)械手2內(nèi)部裝有應(yīng)急蓄電池10以及與應(yīng)急蓄電池10連接的中央處理器9，多自由度機(jī)械手2外部連接有高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4，多自由度機(jī)械手2另一端與太空3D打印頭3相連，高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4能夠吸收恒星輻射能5，高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4通過導(dǎo)管6與太空3D打印頭3連接，將收集到的熱量傳輸給太空3D打印頭3，太空3D打印頭3外部附著曲面掃描識(shí)別裝置7，曲面掃描識(shí)別裝置7通過數(shù)據(jù)線8與中央處理器9連接；所述太空3D打印頭3包括打印頭外殼11，打印頭外殼11中均勻分布有微流道14，微流道14入口與導(dǎo)管6連通，微流道14出口和柔性涂刷15內(nèi)孔道連通，柔性涂刷15上部附著于打印頭外殼11下，下部直接與基面1接觸，打印頭外殼11內(nèi)部與打印頭熔融腔13之間設(shè)有氣體交換層12，熱塑性絲材18進(jìn)入到打印頭熔融腔13內(nèi)融化，并從打印頭熔融腔13前端的打印頭前孔17擠出。所述的面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)的打印方法，包括下列步驟：1)首先，曲面掃描識(shí)別裝置7在基面1上進(jìn)行對(duì)于其表面的掃描識(shí)別，并通過數(shù)據(jù)線8將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砥?中，中央處理器9根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以及原先內(nèi)置的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型的重新建立與打印路徑的生成，并將控制信號(hào)發(fā)送到多自由度機(jī)械手2與太空3D打印頭3上；2)多自由度機(jī)械手2根據(jù)接收到的控制信息，帶動(dòng)太空3D打印頭3在基面1上按照打印路徑進(jìn)行多自由度的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，一直在接收恒星輻射能5的高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4，通過導(dǎo)管6將熱量供給太空3D打印頭3，保證其溫度穩(wěn)定在略高于熱塑性絲材18熔點(diǎn)的溫度上；3)在太空3D打印頭3中，微流道14將導(dǎo)管6導(dǎo)入的熱量用來進(jìn)行太空3D打印頭3的加熱和維持打印頭微環(huán)境溫度的穩(wěn)定，同時(shí)，柔性涂刷15內(nèi)孔道通過微流道14導(dǎo)入的熱量加熱柔性涂刷15；4)隨著多自由度機(jī)械手2的運(yùn)動(dòng)，柔性涂刷15清理并預(yù)熱基面1，并且，熱塑性絲材18根據(jù)控制信息進(jìn)入到打印頭熔融腔13內(nèi)，被加熱成熔融熱塑性材料16，并從打印頭前孔17擠出，期間材料熔融時(shí)所產(chǎn)生氣體通過氣體交換層12排出；5)被擠出的材料附著在基面1上，并根據(jù)控制信息與模型數(shù)據(jù)，逐漸累積成所需的模型，從而完成打印或是修復(fù)工作，存儲(chǔ)電能的應(yīng)急蓄電池10在緊急斷電或沒有恒星輻射能5的情況下，給多自由度機(jī)械手2與太空3D打印頭3供電供能，以保證3D打印工作的順利進(jìn)行。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明考慮到了主要的太空復(fù)雜環(huán)境，采用集表面清理、表面預(yù)熱、輻射屏蔽、熔融氣體安全處理與零件后處理功能于一體的功能復(fù)合型太空3D打印頭3，保證了太空3D打印的可實(shí)施性；同時(shí)，利用高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4、微流道14與導(dǎo)管6，進(jìn)行能量的收集、利用與控制；并且采用多自由度機(jī)械手2與曲面掃描識(shí)別裝置7，從而可以以任意角度和任意運(yùn)動(dòng)軌跡在基面1上進(jìn)行3D打印，實(shí)現(xiàn)了太空3D打印的靈活性，以及加強(qiáng)了針對(duì)任意復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的制造與修復(fù)能力。附圖說明圖1是本發(fā)明太空3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明太空3D打印頭3的結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。參照?qǐng)D1，一種面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)，包括多自由度機(jī)械手2，多自由度機(jī)械手2一端安放于基面1中，基面1是宇航平臺(tái)表面或外星球地面，多自由度機(jī)械手2內(nèi)部中裝有應(yīng)急蓄電池10以及與應(yīng)急蓄電池10連接的中央處理器9，多自由度機(jī)械手2外部連接有高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4，多自由度機(jī)械手2另一端與太空3D打印頭3相連，高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4能夠吸收恒星輻射能5，高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4通過導(dǎo)管6與太空3D打印頭3連接，將收集到的熱量傳輸給太空3D打印頭3，太空3D打印頭3外部附著曲面掃描識(shí)別裝置7，曲面掃描識(shí)別裝置7通過數(shù)據(jù)線8與中央處理器9連接；參照?qǐng)D2，所述太空3D打印頭3包括打印頭外殼11，打印頭外殼11中均勻分布有微流道14，微流道14入口與導(dǎo)管6連通，微流道14出口和柔性涂刷15內(nèi)孔道連通，柔性涂刷15上部附著于打印頭外殼11下，下部直接與基面1接觸，打印頭外殼11內(nèi)部與打印頭熔融腔13之間設(shè)有氣體交換層12，熱塑性絲材18進(jìn)入到打印頭熔融腔13內(nèi)融化，并從打印頭熔融腔13前端的打印頭前孔17擠出。所述的面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)的打印方法，包括下列步驟：1)首先，曲面掃描識(shí)別裝置7在基面1上進(jìn)行對(duì)于其表面的掃描識(shí)別，并通過數(shù)據(jù)線8將獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胩幚砥?中，中央處理器9根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)以及原先內(nèi)置的模型數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維模型的重新建立與打印路徑的生成，并將控制信號(hào)發(fā)送到多自由度機(jī)械手2與太空3D打印頭3上；2)多自由度機(jī)械手2根據(jù)接收到的控制信息，帶動(dòng)太空3D打印頭3在基面1上按照打印路徑進(jìn)行多自由度的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，一直在接收恒星輻射能5的高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4，通過導(dǎo)管6將熱量供給太空3D打印頭3，保證其溫度穩(wěn)定在略高于熱塑性絲材18熔點(diǎn)的溫度上；3)在太空3D打印頭3中，微流道14將導(dǎo)管6導(dǎo)入的熱量用來進(jìn)行太空3D打印頭3的加熱和維持打印頭微環(huán)境溫度的穩(wěn)定，同時(shí)，柔性涂刷15內(nèi)孔道通過微流道14導(dǎo)入的熱量加熱柔性涂刷15；4)隨著多自由度機(jī)械手2的運(yùn)動(dòng)，柔性涂刷15清理并預(yù)熱基面1，并且，熱塑性絲材18根據(jù)控制信息進(jìn)入到打印頭熔融腔13內(nèi)，被加熱成熔融熱塑性材料16，并從打印頭前孔17擠出，期間材料熔融時(shí)所產(chǎn)生氣體通過氣體交換層12排出；5)被擠出的材料附著在基面1上，并根據(jù)控制信息與模型數(shù)據(jù)，逐漸累積成所需的模型，從而完成打印或是修復(fù)工作，存儲(chǔ)電能的應(yīng)急蓄電池10在緊急斷電或沒有恒星輻射能5的情況下，給多自由度機(jī)械手2與太空3D打印頭3供電供能，以保證3D打印工作的順利進(jìn)行。本發(fā)明所提出的一種面向太空復(fù)雜環(huán)境的多自由度3D打印機(jī)及打印方法，考慮到太空的復(fù)雜環(huán)境，如大溫差、高真空和強(qiáng)輻射等，利用高儲(chǔ)能介質(zhì)熱量收集器4、微流道14與導(dǎo)管6，為太空3D打印裝置提供材料熔融能量以及保證打印微環(huán)境的熱穩(wěn)定性；采用集表面清理、表面預(yù)熱、輻射屏蔽、熔融氣體安全處理與零件后處理功能于一體的功能復(fù)合型太空3D打印頭3，使3D打印頭能夠在太空高真空、大溫差、強(qiáng)輻射的復(fù)雜環(huán)境下進(jìn)行3D打印工作；采用多自由度機(jī)械手2、曲面掃描識(shí)別裝置7與中央處理器9，實(shí)現(xiàn)對(duì)于基面1的識(shí)別，并在其上進(jìn)行自由3D打印與原位零件修復(fù)。因此，本發(fā)明結(jié)合了太空環(huán)境的大溫差、高真空和強(qiáng)輻射等特點(diǎn)，解決3D打印工藝在能源利用、材料性能、過程控制等方面的太空適應(yīng)性，以及增加了3D打印的自由度以及零件修復(fù)功能。