[发明专利]一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统

说明书

本发明公开了一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统，包括外壳(1)、控制单元(2)、设于所述外壳(1)内部的工作台(8)、非晶合金材料(3)、加热装置、机械加载装置(11)以及输送装置，所述机械加载装置(11)根据3D打印成形零件的用料要求控制所述输送装置的速度以及喷头(6)的压力载荷，且所述加热装置对所述非晶合金材料(3)局部加热、焊接以实现零件成形。本发明的空间3D打印系统，加热装置仅在喷头附近区域加热，不仅避免了非晶合金在长时间高温条件下的晶化风险，而且将非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态实现成形，取消了激光或电子束加热装置，增加了设备工作稳定性，特别适合空间环境中在轨制造。

技术领域

本发明属于金属3D打印机制造技术领域，更具体地，涉及一种基于非晶合金超塑性焊接的空间3D打印系统。

背景技术

高能束3D打印(又称增材制造)是快速成型技术的一种，该技术通过连续的物理层叠加，将复杂的三维加工转变为简单的二维加工，大大降低了复杂零件的成形难度，从而有望解决传统加工技术无法完成的复杂结构件的成形制造难题。近年来，3D打印技术逐渐应用于实际产品的制造，其中，金属材料的3D打印技术发展尤其迅速。据统计，金属用3D打印机的设备和材料在世界上已达3亿美元。分析师们预测，未来10年这一市场将会以32％的速度实现增长。金属3D打印机已展现出十分广阔的应用前景，在汽车制造、模具、航空航天、武器装备、医疗、船舶、能源等领域具有强劲的发展势头。

空间环境下的3D打印，是指在空间环境微重力条件下，在轨航天器利用自身携带的3D打印机及原材料，根据不同设计需求进行航天器零部件的在轨打印制造。为了进一步开发利用宇宙空间资源，扩展人类生存空间，世界各航天国家先后推出各自的深空探测发展规划。空间3D打印技术可大力推动深空探测领域的发展，还可以简化航天器零件结构设计，降低发射成本，极大程度上解决航天器的在轨修复难题，延长航天器有效在轨运行寿命。

迄今为止，太空微重力及热真空环境的3D打印技术主要为可适用于塑料的熔融沉积式(FDM)及可适合金属的(EBM)电子束无模成形制造这两种。而空间3D打印研究主要采用FDM方式，围绕着聚合物或复合材料(金属粉、金属丝及聚合物的混合物)进行，但聚合物和复合材料的强度一般不超过150MPa，限制了其空间应用范围。航天器中主要的零部件是由金属材料制备而成，因此开发金属材料的空间3D打印尤为迫切，可大部分金属材料因其高熔点，严重制约了空间3D打印技术的发展。

目前，用于金属3D打印的材料品种较少，主要包括不锈钢、高温合金、钛合金、铝镁合金及稀有金属等。且这些金属3D打印技术主要是采用激光直接熔化金属粉体(如SLM和EBM)，或采用粘合剂喷射技术(3DP)先将金属粉末粘结成型，再烧结成型制备金属零件。如专利文献CN108080638A公开了一种非晶合金箔材的激光3D打印成形系统及成形方法，并具体公开了通过激光器裁剪非晶合金箔材多余样料，再利用非晶合金加热到过冷液相区的超塑性状态，然后再利用预热的辊碾压，结合超声振动作用，使上下两层非晶合金箔材产生原子间联系，并急速降温冷却，从而形成大尺寸复杂形状、具有空洞结构的非晶合金零件。其克服了传统非晶合金制备方法对合金件尺寸和形状的限制，相对于传统的3D打印非晶合金粉末制备的非金合金零件内部结构更致密。但分析发现，该专利公开的非晶合金3D打印成形系统工艺较为复杂，且不能在如空间微重力条件等一些特殊的环境下使用，具体不足为：(1)由于激光装置需要较大的能量，而且装置占用体积空间比较大，航天器内使用高能量激光器实现3D打印成形的难度较大；(2)由于其利用预热的辊碾压，结合超声振动作用，使上下两层非晶合金箔材产生原子间联系，并急速降温冷却，从而形成大尺寸复杂形状、具有孔洞结构的非晶合金零件，大的温度梯度往往会引起大的热应力及残余应力，在复杂的空间环境下，容易导致零件产生变形、裂纹等缺陷；(3)由于火箭发射的载荷以及航天器可用空间的限制，空间3D打印系统需要轻质、便捷、小型化和自动化。因此，亟待发明一种新型的金属材料空间3D打印成形技术，并研发与之匹配的新型金属材料。

发明内容