[发明专利]一种用于微重力环境的增材成型装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于微重力环境的增材成型装置及方法，利用成形腔体的真空、微重力环境下，无需气体保护，避免了金属高温成形过程的中氧化，同时在失重环境下可以避免周围环境对成形过程的扰动，实现太空环境下金属零件的无缺陷精密高质量成形；采用导电喷头结构，通过在导电喷头和基板之间施加强电场作用，使金属熔滴产生电致切应力作用形成泰勒液锥，形成极细的稳定射流，并通过凸环的刮涂作用，形成稳定的金属薄层，从而克服微重力和表面张力作用，实现任意复杂金属零件在太空真空、失重状态下在轨打印成形，克服金属熔滴在微重力下难以下落成形，和在表面张力作用下难以铺展、凝固的困难，可以实现在太空失重、真空环境下金属直接打印成形。

技术领域

本发明属于增材制造3D打印领域，本发明涉及一种用于微重力环境的增材成型装置及方法。

背景技术

随着航天技术的发展，人类逐步探索更遥远的太空，因此航天设备的维修维护、破损制件的更换维修问题显得更为重要。宇航船、国际空间站的破损制件需要从地球制造，然后通过运载火箭发射升空，再由宇航员进行维修或更换破损的制件；对于复杂精密的制件或者实验仪器，发射过程中的震动会对其精度、性能等产生不良影响。因此各国科学家均提出零件的甚至是精密仪器的在轨制造。

近年来，直接成形金属零部件的激光增材制造技术逐渐成熟，为解决航天金属构件在在轨制造提供了可能。3D打印技术(又称增材制造技术)直接由数字驱动，是一种“自下而上”的材料累加成形的制造方法，不受形状复杂程度的限制，能够实现任意复杂形状零件的快速、优质、高效、经济、全智能化和全柔性化制造，尤其适合形状复杂、高性能、难加工材料的快速制造，将为航天高技术领域的制造技术难题提供新的解决途径。

在地面环境下，3D打印在各个领域取得了广泛的应用。而太空3D打印最大的挑战在于其微重力，在太空微重力环境下，由于密度差异引起的沉积现象和重力引起的对流现象几乎消失；打印基材的铺展凝固现象也有在重力环境下有很大的不同，气体的热对流现象也会失效。由于这些限制因素，现有的3D打印机无法直接应用在太空3D打印领域中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微重力环境的增材成型装置及方法，以克服现有技术的不足。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于微重力环境的增材成型装置，包括内部为密封环境的成形腔体以及设置于成形腔体内的工作台和熔炼单元，熔炼单元设置于工作台上方，熔炼单元的出料口设有导电喷头，工作台上设有用于成型的基板，基板与导电喷头之间连接有高压电源。

进一步的，成形腔体一侧设有过渡仓，过渡仓与成形腔体内部连通。

进一步的，成形腔体内位于工作台一侧设有与工作台同步运动的成像装置。

进一步的，熔炼单元包括熔炼腔体，熔炼腔体为中通结构，导电喷头安装于熔炼腔体的一端，熔炼腔体的另一端连接压缩气源，保温层的外圈设有电磁感应加热线圈。

进一步的，熔炼腔体与保温层的外圈设有电磁感应加热线圈之间设有保温层，熔炼腔体连接压缩气源的一端端部设有密封端盖。

进一步的，熔炼腔体的另一端通过输气管连接于气源，连接管道上设置有压力控制装置。

进一步的，导电喷头为锥形结构，导电喷头的锥形端部设有凸环。

进一步的，还包括连接于工作台和熔炼单元的控制系统，控制系统连接有电源，熔炼单元连接有温控单元，温控单元连接于控制系统。

进一步的，熔炼腔体采用坩埚。

一种微重力环境下增材成型方法，包括以下步骤：