太空環(huán)境下的fdm3d打印實(shí)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(shí) 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(guò)軟件將3D數(shù)字模型進(jìn)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(shì)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(guò)創(chuàng)建精確的副本或優(yōu)化原件，能夠精確的實(shí)體 復(fù)制，同時(shí)可以完成掃描、編輯和復(fù)制實(shí)體對(duì)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(shù)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(jìn)行組合。3D打印的這些優(yōu)勢(shì)運(yùn)用在太空中非常合適。例如：3D 打印的個(gè)性化制造和經(jīng)濟(jì)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(shí)允 許把更多成本用在其他需求上。航空航天飛船自身?yè)碛兄圃炷芰?，也?duì)太空長(zhǎng)期任務(wù)（如 探尋其它星球）有開(kāi)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(jī)的工作原理是將低熔點(diǎn)絲狀材料通過(guò)送絲機(jī)構(gòu)送到加熱器，加 熱熔化成液體，通過(guò)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(gè)實(shí)體模型或零件。但是傳統(tǒng)的3D打印機(jī)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(wèn)題之一在于提供一種太空環(huán)境下的FDM3D打印實(shí)現(xiàn)方法，實(shí) 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(wèn)題之二在于提供一種太空環(huán)境下的FDM3D打印系統(tǒng)，實(shí)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(wèn)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(shí)現(xiàn)3D打印機(jī)在太空中的打印能力，最終有效解決飛船制造能力的問(wèn) 題。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)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(guò)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(duì)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(guò)控制增壓噴頭的運(yùn)動(dòng)從而控制熔融噴絲流量的大小與擠出粘黏成型過(guò) 程；從而實(shí)現(xiàn)實(shí)體的打印。
[0009] 所述的成型過(guò)程全密封設(shè)計(jì)，當(dāng)3D打印機(jī)在完成實(shí)體后，開(kāi)啟吸塵設(shè)備吸收打印 設(shè)備的微塵，再由機(jī)械手臂將實(shí)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(shí)體。
[0010] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)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(pán)、增壓噴頭、升降工作臺(tái)、 送絲機(jī)構(gòu)、熱熔性膠棒、膠水噴頭等部分；3D打印機(jī)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(pán)上，由送絲機(jī)構(gòu)驅(qū) 動(dòng)料盤(pán)旋轉(zhuǎn)；熱熔性絲材、熱熔性較棒在送絲機(jī)構(gòu)的摩擦力作用下向改進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)構(gòu)、圓 錐擴(kuò)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?yàn)閳A錐收 縮段、圓筒形喉管、圓錐擴(kuò)散段和擠料出口；同時(shí)，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(jī)構(gòu)設(shè)置在圓筒形喉管、圓錐 擴(kuò)散段和輸料管路外，對(duì)該部分進(jìn)行加熱；當(dāng)增壓氣體從氣體入口進(jìn)入，并通過(guò)圓錐收縮 段，此時(shí)高速流動(dòng)的氣體通過(guò)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(guò)加熱機(jī)構(gòu)時(shí)，會(huì)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(huì)因?yàn)槲阶饔秒S著空氣混合并一起進(jìn)入圓錐擴(kuò)散段，最后通 過(guò)擠料出口擠出成型。
[0013] 所述的膠水噴頭與改進(jìn)型增壓噴頭的結(jié)構(gòu)一致。
[0014] 所述的打印系統(tǒng)在料盤(pán)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(pán)到增壓噴頭。
[0015] 打印系統(tǒng)采取全密封環(huán)境設(shè)計(jì)；3D打印機(jī)在完成實(shí)體打印并冷卻一段時(shí)間后，開(kāi) 啟吸塵設(shè)備吸收打印設(shè)備的微塵，再由機(jī)械手臂將實(shí)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(shí)體。
[0016] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題之三的技術(shù)方案是：
[0017] 所述的方法是利用改進(jìn)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(jìn)型增壓噴頭的氣體入口和擠料出 口之間有一個(gè)橫截面縮小的圓筒形喉管；當(dāng)氣體或液體在其內(nèi)流動(dòng)，在管道的最窄處，動(dòng)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?yàn)橛苛鳈M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(lái)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(jì)算可以得到其流速和流量，并控制壓力大小。
[0018] 在計(jì)算出口流量時(shí)，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(dòng)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(jìn)口壓力pa ;Ρ 2:喉管進(jìn)口壓力pa。
[0019] 出口流量為以下公式如下，對(duì)兩斷面列伯努利方程有：
[0027] 有益效果：
[0028] 本發(fā)明的實(shí)用性在于該系統(tǒng)可以將3D打印運(yùn)用在航空航天領(lǐng)域，特點(diǎn)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(shì)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(qiáng)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(shuō)明】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)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(jī)的原理圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明3D打印機(jī)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(shí)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(jī)構(gòu)104、圓錐擴(kuò)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(jìn)入，并通過(guò)圓錐收 縮段102,此時(shí)高速流動(dòng)的氣體通過(guò)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(guò)加熱機(jī) 構(gòu)104時(shí)，會(huì)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(huì) 因?yàn)槲阶饔秒S著空氣混合并一起進(jìn)入圓錐擴(kuò)散段105,最后通過(guò)擠料出口 106擠出成型。
[0035] 在計(jì)算出口流量時(shí)，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(dòng)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(jìn)口壓力pa ;ρ 2: