太空環(huán)境下的fdm3d打印實現(xiàn)方法、打印系統(tǒng)及噴絲流量控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及3D打印設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種適用于太空環(huán)境下的FDM3D打印實 現(xiàn)方法、打印系統(tǒng)及噴絲流量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 3D打印，是快速成型技術(shù)的一種，它是通過軟件將3D數(shù)字模型進行分層離散化處 理為基礎(chǔ)，以累積制造技術(shù)成型。3D打印優(yōu)勢在于：制造復(fù)雜物品不增加成本，可以打印太 空飛船中所需的復(fù)雜零部件；3D打印技術(shù)屬于加式制造范疇，比傳統(tǒng)制造節(jié)省材料，使得 太空任務(wù)零件的打印材料需求最小化；通過創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件，能夠精確的實體 復(fù)制，同時可以完成掃描、編輯和復(fù)制實體對象的任務(wù)。3D打印技術(shù)可選用的材料眾多，常 用材料有PLA、ABS樹脂、耐用性尼龍材料、石膏材料、鋁材料、鈦合金、不銹鋼、鍍銀、鍍金、 橡膠類材料等，也可將材料進行組合。3D打印的這些優(yōu)勢運用在太空中非常合適。例如：3D 打印的個性化制造和經(jīng)濟性可減少飛船自帶備用零部件，降低宇宙空間探索預(yù)算，同時允 許把更多成本用在其他需求上。航空航天飛船自身擁有制造能力，也對太空長期任務(wù)（如 探尋其它星球）有開創(chuàng)性作用，使宇航員在太空中有更大程度的自主權(quán)和靈活性。
[0003] 傳統(tǒng)FDM3D打印機的工作原理是將低熔點絲狀材料通過送絲機構(gòu)送到加熱器，加 熱熔化成液體，通過噴頭擠出，層層疊加，如此反復(fù)逐層沉積，直到最后一層，這樣逐層由 底到頂?shù)囟逊e成一個實體模型或零件。但是傳統(tǒng)的3D打印機工作在地球上，地球重力可以 保證熔融材料從噴頭中擠出且不需要密封條件。而在太空上原有的重力條件變成了微重 力狀態(tài)，因而我們需要在噴頭產(chǎn)生一定的壓力讓材料能夠從噴頭中擠出并配合噴灑膠水成 型。為了保證宇航員的健康和儀器的正常使用，太空3D打印技術(shù)需要在密封條件下工作， 達(dá)到為太空探索的航空器件提供備用零件的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題之一在于提供一種太空環(huán)境下的FDM3D打印實現(xiàn)方法，實 現(xiàn)太空微重力環(huán)境下的3D打印。
[0005] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題之二在于提供一種太空環(huán)境下的FDM3D打印系統(tǒng)，實現(xiàn)太 空微重力環(huán)境下的3D打印。
[0006] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題之三在于提供一種太空環(huán)境下的FDM3D打印系統(tǒng)的噴絲 流量控制方法，以實現(xiàn)3D打印機在太空中的打印能力，最終有效解決飛船制造能力的問 題。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題之一的技術(shù)方案是：
[0008] 所述的方法是設(shè)置膠水噴頭和增壓噴頭，通過膠水噴頭先在程序指定區(qū)域先噴灑 一層膠水，然后，增壓噴頭對熱熔性的絲材熔融、增加輸送；熔融噴絲擠出后在微重力狀態(tài) 下粘黏成型；通過控制增壓噴頭的運動從而控制熔融噴絲流量的大小與擠出粘黏成型過 程；從而實現(xiàn)實體的打印。
[0009] 所述的成型過程全密封設(shè)計，當(dāng)3D打印機在完成實體后，開啟吸塵設(shè)備吸收打印 設(shè)備的微塵，再由機械手臂將實體放置于隔離區(qū)，采用隔離玻璃將3D打印工作區(qū)域隔離， 取出實體。
[0010] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題之二的技術(shù)方案是：
[0011] 所述的打印系統(tǒng)包含有中央控制系統(tǒng)、熱熔性絲材、料盤、增壓噴頭、升降工作臺、 送絲機構(gòu)、熱熔性膠棒、膠水噴頭等部分；3D打印機外接中央控制系統(tǒng)控制分層等處理軟 件，將CAD模型分層切片處理生成STL數(shù)控代碼；熱熔性絲材纏繞在料盤上，由送絲機構(gòu)驅(qū) 動料盤旋轉(zhuǎn)；熱熔性絲材、熱熔性較棒在送絲機構(gòu)的摩擦力作用下向改進型增壓噴頭、膠水 噴頭送出，其中，膠水噴頭用于每層打印前噴灑膠水；先控制膠水噴頭在程序制定區(qū)域先噴 灑一層膠水，噴灑膠水的目的是熔融噴絲擠出后在微重力狀態(tài)下粘黏成型；隨后改進型增 壓噴頭根據(jù)程序的指定按照同一軌跡噴絲成型，在膠水和加壓擠出熔融絲材共同作用下， 材料冷卻后便形成了工件的輪廓。
[0012] 所述的改進型增壓噴頭包含有氣體入口、圓錐收縮段、圓筒形喉管、加熱機構(gòu)、圓 錐擴散段、擠料出口、輸料管路、輸料管路內(nèi)通道、輸料管路縮口；氣體入口下依序為圓錐收 縮段、圓筒形喉管、圓錐擴散段和擠料出口；同時，圓筒形喉管連接輸料管路；輸料管路另 一端為輸料管路縮口；輸料管路內(nèi)有輸料管路內(nèi)通道；加熱機構(gòu)設(shè)置在圓筒形喉管、圓錐 擴散段和輸料管路外，對該部分進行加熱；當(dāng)增壓氣體從氣體入口進入，并通過圓錐收縮 段，此時高速流動的氣體通過圓筒形喉管氣流由粗變細(xì)以加快氣體流速產(chǎn)生低壓，從而在 圓筒形喉管處產(chǎn)生吸附作用；通過加熱機構(gòu)時，會使得輸料管路內(nèi)通道的絲材形成熔融狀 態(tài)，到了低壓的圓筒形喉管會因為吸附作用隨著空氣混合并一起進入圓錐擴散段，最后通 過擠料出口擠出成型。
[0013] 所述的膠水噴頭與改進型增壓噴頭的結(jié)構(gòu)一致。
[0014] 所述的打印系統(tǒng)在料盤和增壓噴頭之間有一導(dǎo)向套，導(dǎo)向套采用低摩擦力材料 制成以便材料能夠順利準(zhǔn)確地由料盤到增壓噴頭。
[0015] 打印系統(tǒng)采取全密封環(huán)境設(shè)計；3D打印機在完成實體打印并冷卻一段時間后，開 啟吸塵設(shè)備吸收打印設(shè)備的微塵，再由機械手臂將實體放置于隔離區(qū)，采用隔離玻璃將3D 打印工作區(qū)域隔離，取出實體。
[0016] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題之三的技術(shù)方案是：
[0017] 所述的方法是利用改進型增壓噴頭結(jié)構(gòu)，噴管高壓空氣流從小孔吹出的方式而使 熔融材料產(chǎn)生真空引力引起氣液在混合室混合；即在改進型增壓噴頭的氣體入口和擠料出 口之間有一個橫截面縮小的圓筒形喉管；當(dāng)氣體或液體在其內(nèi)流動，在管道的最窄處，動態(tài) 壓力達(dá)到最大值，靜態(tài)壓力達(dá)到最小值；氣體或液體的速度因為涌流橫截面積變化的關(guān)系 而上升；可以由空氣吹出速度的大小來調(diào)節(jié)真空度的大小和熔融材料流量；根據(jù)伯努利定 律方程計算可以得到其流速和流量，并控制壓力大小。
[0018] 在計算出口流量時，根據(jù)理想狀況下不考慮流體受到的阻力作用，氣體入口和圓 筒形喉管截面面積分別為4、A 2，氣體入口和圓筒形喉管流速分別為Vl，V2、位能分別為Zl， Z2、動能修正系數(shù)為<Μ，α2, P代表流體密度，在管道半徑已定的情況下，流量Q僅與變量 壓力Pi，P2有關(guān)，P 1:文丘里管進口壓力pa ;Ρ 2:喉管進口壓力pa。
[0019] 出口流量為以下公式如下，對兩斷面列伯努利方程有：
[0027] 有益效果：
[0028] 本發(fā)明的實用性在于該系統(tǒng)可以將3D打印運用在航空航天領(lǐng)域，特點在于克服 了微重力情況下3D打印材料難以擠出，即使擠出也難以成行的弊端，優(yōu)勢在于只需攜帶相 應(yīng)材料即可在太空中完成制造，一大批設(shè)備不用從地球上直接攜帶，這樣將增強太空任務(wù) 的可靠性和安全性，大大降低太空任務(wù)的預(yù)算。
【附圖說明】
[0029] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明：
[0030] 圖1是本發(fā)明3D打印噴頭的主視圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明3D打印機的原理圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明3D打印機的成型處理流程圖；
[0033] 圖4是本發(fā)明3D打印成型系統(tǒng)調(diào)控圖。
【具體實施方式】
[0034] 如圖1所示，是本發(fā)明3D打印文丘里管噴頭的主視圖；包含有氣體入口 101、圓錐 收縮段102、圓筒形喉管103、加熱機構(gòu)104、圓錐擴散段105、擠料出口 106、輸料管路107、 輸料管路內(nèi)通道109、輸料管路縮口 108。其中，增壓氣體從入口 101進入，并通過圓錐收 縮段102,此時高速流動的氣體通過圓筒形喉管103氣流由粗變細(xì)以加快氣體流速產(chǎn)生低 壓，從而在圓筒形喉管103處產(chǎn)生吸附作用。喉部的另一端連接輸料管路107,通過加熱機 構(gòu)104時，會使得輸料管路內(nèi)通道109的絲材形成熔融狀態(tài)，到了低壓的圓筒形喉管103會 因為吸附作用隨著空氣混合并一起進入圓錐擴散段105,最后通過擠料出口 106擠出成型。
[0035] 在計算出口流量時，根據(jù)理想狀況下我們不考慮流體受到的阻力作用，氣體入口 101和圓筒形喉管103截面面積分別為Ap A2，氣體入口 101和圓筒形喉管103流速分別為 Vl，V2、位能分別為Z1, Z2、動能修正系數(shù)為Ct1, a2, P代表流體密度，在管道半徑已定的情 況下，流量Q僅與變量壓力P1, P2有關(guān)，P 1:文丘里管進口壓力pa ;ρ 2: