一种空间增材制造系统及方法

技术领域

本发明属于增材制造技术装备技术领域，具体涉及一种空间增材制造系统及方法。

背景技术

随着航天工业的发展，各国正抓紧实施探索深空的研究，但是目前传统地面制造之后进行上行补给的方式由于其运载能力、运载空间受限、成本高、周期久、难度大等问题，极大地限制了世界各国进行广泛的太空探索活动，尤其是空间站及空间大型太阳能电池板结构所需的大型结构杆件必须在地面进行分段制造，然后携带到太空中进行组装，极大限制了大型空间结构的建造实施。

增材制造技术是一种采用逐层累积直接进行零件成形的数字化成型工艺，其相对于传统的减材制造方式相比，此技术能够进行实现所需零件从无到有，有小到大的按需制造，因此空间在轨增材制造技术可以大量减少备件的数量，所需部件能即时按需制造，大大扩展空间站的功能，降低空间活动成本，大幅度提高空间任务执行的可靠性和安全性。增材制造技术中的直接能量熔融金属细丝沉积增材制造技术，由于热变形小，表面粗糙度高，可以制造精细的结构特征，在很多情况可以直接作为零部件使用，是一种很有发展前景的技术，尤其是在微重力、真空环境下，金属丝材成形具有较大的优势，不会发生粉末悬浮的现象发生，因此激光或电子束直接熔丝沉积增材制造技术十分符合空间在轨制造增材制造的技术要求。

目前激光或电子束直接熔丝沉积增材制造技术只能制造有限大小的结构件，即增材制造装备运行尺寸有多大，其打印零件必须限制在该尺寸范围内，受其打印装备运动结构的影响还无法实现大型结构件的制造。因此需要发明创造设计一个可以实现连续无限长度结构件打印的新型增材制造装备系统及方法，充分利用空间微重力环境，实现在轨无限连续长度金属结构件的空间在轨增材制造，满足空间大型结构对大型结构件的需求。

目前激光或电子束直接熔丝沉积增材制造制造装备的运行尺寸，有多大构建打的印零件必须在该尺寸范围内，因此需要发明创造设计一个可以实现连续无限长度结构件打印的新型增材制造装备系统及方法，实现在轨无限连续长度金属结构件的空间在轨增材制造，满足空间大型结构对大型结构件的需求。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种空间增材制造系统及方法，用于解决现有的增材制造方案只能制造有限大小的结构件、不能满足空间大型结构对大型结构件的需求等技术问题

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明公开了一种空间增材制造系统，包括打印机箱体、控制系统、打印基板或预制体、打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统、连续传输系统和热量传输冷却系统；所述打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统和连续传输系统依次固定在打印机箱体内部；所述打印基板或预制体固定在双向或多向夹持固定系统和连续传输系统上；所述双向或多向夹持固定系统内设置有热量传输冷却系统，用于实现打印过程中打印机体的不断散热；

所述控制系统设置在打印机箱体外部，分别与打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统和连续传输系统连接；所述打印头及驱动系统能够在XY平面内运动并在打印基板或预制体打印形成打印零件，打印零件由双向或多向夹持固定系统进行夹紧或松开，由连续传输系统实现打印零件在Z轴的连续无限长度打印。

进一步地，所述打印头及驱动系统包括熔丝打印头、连接板、X轴运动系统、Y轴运动系统、基座；所述X轴运动系统和Y轴运动系统串联组合连接后，通过基座固定在打印机箱体内部；所述熔丝打印头通过连接板与X轴运动系统和Y轴运动系统固定连接，可在X轴运动系统和Y轴运动系统的驱动下实现XY平面内的运动。

进一步地，所述X轴运动系统包括X轴运动平台、X轴驱动装置；所述Y轴运动系统包括Y轴运动平台、Y轴驱动装置；所述X轴运动平台和Y轴运动平台串联组合连接后，通过基座固定在打印机箱体内部；所述X轴驱动装置和Y轴驱动装置分别与X轴运动平台和Y轴运动平台连接；所述熔丝打印头通过连接板与X轴运动平台和Y轴运动平台连接；

所述X轴驱动装置为X轴丝杠或X轴直线电机或X轴同步带；所述Y轴驱动装置为Y轴丝杠或Y轴直线电机或Y轴同步带；

所述熔丝打印头的类型为同轴熔丝打印头或旁轴熔丝打印头。

进一步地，所述空间增材制造系统还包括回转驱动系统；所述回转驱动系统固定在打印机箱体上；所述X轴运动系统、Y轴运动系统和旁轴熔丝打印头分别固定在回转驱动系统上，以实现回转摆动运动；

X轴驱动装置和Y轴驱动装置使用多轴串联关节臂机器人进行替换使用，使用多轴串联关节臂机器人带动熔丝打印头进行联动插补运动，实现金属零件的多自由度和多特征结构的打印，熔丝打印头的运动不局限于使用X、Y及回转工作台的插补运行机构系统。

进一步地，所述双向或多向夹持固定系统包括夹持系统基座、丝杠或光杠组件、夹紧滑块、夹持系统电机；所述夹持系统基座固定在打印机箱体内部；所述夹紧滑块可滑动连接在系统基座上；所述丝杠或光杠组件贯穿设置在夹紧滑块之间，与夹紧滑块连接，所述丝杠或光杠组件的一端与夹持系统电机连接；所述在打印基板或预制体上形成的打印零件位于夹紧滑块之间。

进一步地，所述热量传输冷却系统包括散热块和外部温控系统；所述散热块设置在夹紧滑块上，与打印零件接触；所述散热块与外部温控系统连接。

进一步地，所述连续传输系统的类型包括齿轮连续传输系统、直线电机连续传输系统或机械臂系统；所述齿轮连续传输系统包括传输系统基座、转角板、顶紧系统、传输系统电机、主动齿轮、被动齿轮；所述传输系统基座固定在打印机箱体内部；所述主动齿轮和被动齿轮与传输系统基座连接；所述打印零件位于主动齿轮和被动齿轮之间；所述传输系统电机与主动齿轮连接；所述被动齿轮与顶紧系统连接；所述转角板位于被动齿轮与传输系统基座之间；

所述机械臂系统包括关节臂机器人和电动抓夹；所述关节臂机器人的一端固定在控制系统外部；所述关节臂机器人的另一端与电动抓夹连接；所述电动抓夹通过张开和闭合实现对打印零件的加紧和松开。

进一步地，所述直线电机连续传输系统包括电驱动直线系统、夹紧块、直线电机定子、直线电机动子、转角块；所述直线电机定子固定在打印机箱体内部；所述直线电机动子连接在直线电机定子上，所述夹紧块可滑动连接在直线电机动子上，所述夹紧块的一端与电驱动直线系统连接；所述转角块设置在夹紧块与直线电机动子之间；所述打印零件位于转角块之间。

进一步地，所述打印机箱体内部还设置有用于监控打印熔池的监测系统；所述监测系统通过监测系统基座固定在打印机箱体内部；所述监测系统与控制系统连接。

本发明还公开了上述空间增材制造系统进行连续无限长度管件的增材制造的方法，包括以下步骤：

S1：控制系统下发对应的指令，双向或多向夹持固定系统和连续传输系统打开固定的距离，将打印基板或预制体通过外部系统放置于双向或多向夹持固定系统及连续传输系统之间，然后控制系统下发对应的指令，双向或多向夹持固定系统和连续输送系统通过相应的设计机构将打印基板或预制体固定加持；

S2：控制系统驱动打印头及驱动系统工作，在打印基板或预制体按照程序指令进行打印工作，形成打印层；同时启动热量传输冷却系统对系统进行冷却散热；

S3：在打印基板或预制体上实现一层或几层打印后，双向或多向夹持固定系统松开，随后连续传输系统通过控制系统的指令在Z轴方向推动打印零件移动一定位移，继续开展打印，如此往复，可以实现在Z轴方向的连续无限长度打印。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明公开了一种空间增材制造系统，通过设置双向或多向夹持固定系统和连续传输系统，实现打印基板或预制体沿Z轴方向连续无限传送，摆脱传动金属丝材高能束沉积增材制造装备尺寸的限制，实现金属管件等结构件的连续无限长度、任意大小的连续增材制造。采用金属丝材作为打印成型材料时，可以解决金属粉末成型过程中粉末在微重力、真空环境下粉末悬浮、飘散现象的发生，实现大型结构件的连续无限长度的空间在轨增材制造。

进一步地，该系统采用的打印头及驱动系统，通过将熔丝打印头与X轴和Y轴运动系统的固定连接，仅通过X/Y运动系统的插补运动实现打印头在平面内任意形状的打印成型，不仅可以实现无限长度金属管件的增材制造，也可打印平面内任意形状的金属构件，同时，不仅可以打印连续无限长度的管状结构，也可以通过熔丝打印头的摆动运动打印具有复杂结构的无限连续长度金属构件。

进一步地，连续传输系统采用齿轮连续传输系统或直线电机连续传输系统，采用高精度伺服Z向连续输送系统，不仅可以实现Z轴打印的连续无限长度，而且可以实现高精度的Z轴运动与打印层高的精确匹配，实现熔池焦点距离精确控制，保证连续打印。

附图说明

图1为本发明的空间增材制造系统的外部整体结构示意图；

图2为本发明的空间增材制造系统的内部结构示意图；

图3为本发明的空间增材制造系统的打印头及驱动系统结构示意图；

图4为旁轴熔丝打印头布置图；

图5为双向或多向夹持固定系统结构示意图；

图6为齿轮连续传输系统结构示意图；

图7为直线电机连续传输系统结构示意图；

图8为复杂管件打印系统结构示意图；

其中：1-打印机箱体；2-控制系统；3-打印基板或预制体；4-打印零件；5-外部温控系统；6-熔丝打印头；7-连接板；8-X轴运动系统；8-1：X轴驱动装置；9-Y轴运动系统；9-1：Y轴驱动装置；10-基座；11-双向或多向夹持固定系统；11-1：丝杠或光杠组件；11-2：夹紧滑块；11-3：夹持系统电机；11-4：散热块；12-齿轮连续传输系统；12-1：转角板；12-2：顶紧系统；12-3：传输系统电机；12-4：主动齿轮；12-5：被动齿轮；13-传输系统基座；14-夹持系统基座；15-监测系统；16-监测系统基座；17-电机连续传输系统；17-1：电驱动直线系统；17-2：夹紧块；17-3：直线电机定子；17-4：直线电机动子；17-5：转角块；18-旋转工作台；19-关节臂机器人；20-电动夹爪。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明典型的实施方案做进一步详细描述：

如图1所示，本发明公开了一种空间增材制造系统，包括打印机箱体1、控制系统2、打印基板或预制体3、打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统11、连续传输系统和热量传输冷却系统；其中，打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统11和连续传输系统依次固定在打印机箱体1内部，依靠机械臂等相关装备将打印基板或预制体3固定在双向或多向夹持固定系统11和连续传输系统上，双向或多向夹持固定系统11内设置有热量传输冷却系统，用于实现打印过程中打印机体的不断散热；控制系统2设置在打印机箱体1外部，分别与打印头及驱动系统、双向或多向夹持固定系统11的和连续传输系统连接。

如图2和图3所示，打印头及驱动系统包括熔丝打印头6、连接板7、X轴运动系统8、Y轴运动系统9、基座10；熔丝打印头6通过连接板7与X轴运动系统8、Y轴运动系统9固定连接，并将其组件通过基座10安装于打印机箱体1内部，熔丝打印头6可在控制指令驱动下实现XY平面内的运动。

优选地，X轴运动系统8包括X轴运动平台、X轴驱动装置8-1；所述Y轴运动系统9包括Y轴运动平台、Y轴驱动装置9-1；将X轴、Y轴运动系统进行串联组合连接，并由X轴驱动装置8-1和Y轴驱动装置9-1带动平台运动，熔丝打印头6可通过X轴、Y轴运动平台系统进行驱动，实现在XY平面内任意形状的高精度插补运动，实现熔丝打印头6的金属丝材打印，熔丝打印头6的高能束可为激光器、电子枪亦或者为其它能够熔化金属丝材的其它高能热源，本发明并不做具体限制。

优选地，X轴驱动装置8-1为X轴丝杠或X轴直线电机或X轴同步带；所述Y轴驱动装置9-1为Y轴丝杠或Y轴直线电机或Y轴同步带；

优选地，熔丝打印头6可以为同轴熔丝打印头或旁轴熔丝打印头6-1。

优选地，如图4所示，将X轴、Y轴运动系统进行串联组合连接，并由X轴驱动装置8-1和Y轴驱动装置9-1带动平台运动，旁轴熔丝打印头6-1可通过X轴、Y轴运动平台系统进行驱动，实现在XY平面内任意形状的高精度插补运动，实现旁轴熔丝打印头6-1的金属丝材打印，旁轴熔丝打印头6-1的高能束可为激光器、电子枪亦或者为其它能够熔化金属丝材的其它高能热源。

如图5所示，双向或多向夹持固定系统11包括夹持系统基座14、丝杠或光杠组件11-1、夹紧滑块11-2、夹持系统电机11-3；通过电机驱动双侧的丝杠或光杠组件11-1，丝杠或光杠组件11-1通过螺杆与丝母相互驱动，使与之相互配合的加紧滑块完成上下运动，通过夹持系统电机11-3的正反向转动可驱动加紧滑块11-2并带动安装其上的热量传输冷却系统可以主动松开和闭合，实现对打印零件4或者打印基板或预制体3的加紧和松开。其中热量传输冷却系统包括散热块11-4和外部温控系统5，通过夹持系统电机11-3的正反向转动可驱动加紧滑块11-2并带动安装其上的散热块11-4可以主动松开和闭合，实现对打印零件4或者打印基板或预制体3的加紧和松开，而且散热块11-4上具有与外部温控系统5连接的管路，可以实现对打印机体的不断散热。

优选地，双向或多向夹持固定系统11的加紧滑块11-2的张开距离的大小可以根据丝杠或光杠组件11-1转动的距离实现精确控制，使直能够适应不同尺寸规格的金属制件的加紧打印。

如图6所示，齿轮连续传输系统12包括传输系统基座13、转角板12-1、顶紧系统12-2、传输系统电机12-3、主动齿轮12-4、被动齿轮12-5；齿轮连续传输系统12通过安装在传输系统基座13上的传输系统电机12-3转动使安装在电机轴端的主动齿轮12-4的连续转动角度ω，且h＝ω×r，其中ω为主动齿轮12-4转动的角度，r为主动齿轮半径，h为打印层的层高，同时被动齿轮12-5通过电驱动的方式调节螺钉的松紧力，将其压紧在打印工件4上，主动齿轮12-4通过被动齿轮12-5产生的压力，通过与被动齿轮12-5的相互配合，使其与打印工件4之间产生一定的摩擦力并将其沿打印机沿Z轴连续不断的向外输送，实现打印工件4在Z轴方向的连续无限打印；其中，安装在传输系统基座13的传输系统电机12-3驱动主动齿轮12-4进行转动，安装在传输系统基座13的顶紧系统12-2顶紧转角板12-1，迫使其上的被动齿轮12-5压紧打印零件4或者打印基板或预制体3，使其与主动齿轮12-4之间产生一定的摩擦力，通过主动齿轮12-4转动的角度使打印零件4沿Z轴方向连续无限输送。

如图7所示，连续传输系统也可设计为直线电机连续传输系统17，直线电机连续传输系统17包括电驱动直线系统17-1、夹紧块17-2、直线电机定子17-3、直线电机动子17-4、转角块17-5；通过安装在直线电机动子17-4上的夹紧块17-2通过直线电机动子17-4的直线运动，实现打印零件4的连续传输搬运，其中直线电机动子17-4上的夹紧块17-2加紧后，电驱动直线系统17-1沿Z轴正向驱动，将打印零件4件搬运到指定距离后，并且移动距离为：l＝h，其中，l为直线电机动子17-4移动距离，h为打印层的层高，松开夹紧块17-2，直线电机动子17-4回到初始位置，压紧夹紧块17-2块加紧工件，以此往复实现打印机Z轴的连续无限长度打印；其中，安装在直线电机定子17-3上的直线电机动子17-4可以实在Z方向的连续往复运动。直线电机动子17-4上安装有转角块17-5，电驱动直线系统17-1以及夹紧块17-2，电驱动直线系统17-1压紧转角块17-5后，可使转角块17-5双向加紧打印零件4。

如图8所示，本发明公开的空间增材制造系统还可以实现复杂管件的打印，主要还包括旋转工作台18、关节臂机器人19和电动夹爪20；将X轴运动系统8、Y轴运动系统9和旁轴熔丝打印头6-1分别固定在回转驱动系统18上，以实现回转摆动运动，旁轴熔丝打印头6-1可在控制指令驱动下实现XY平面内的直线运动和回转运动；将关节臂机器人19的一端固定在控制系统2外部；所述关节臂机器人19的另一端与电动抓夹20连接；所述电动抓夹20通过张开和闭合实现对打印零件4的加紧和松开，并依靠关节臂机器人19的直线运动，带动打印零件4在Z轴方向连续运动，实现打印零件4在Z轴方向的连续无限打印。

进一步地，关节臂机器人19的电动夹爪20可以将打印零件4回转180°，然后在打印零件4的侧壁也可打印与母线呈角度a的对称结构零件。

进一步地，旋转工作台18摆动一定的角度a，熔丝打印头即可在已打印零件的侧壁与母线呈一定角度a，倾斜打印一定特征的结构件。

优选地，打印机箱体1内部还设置有用于监控打印熔池的监测系统15；所述监测系统15通过监测系统基座16固定在打印机箱体1内部，监测系统15与控制系统2连接。

进一步的，打印机安装壳体1上开有出物舱口，打印零件4可沿此窗口连续不断的向打印机外部延伸，实现打印机连续无限长度零件的制造。

优选地，X轴运动系统8和Y轴运动系统9也可使用多轴串联关节臂机器人进行替换使用，使用多轴串联关节臂机器人带动熔丝打印头6进行联动插补运动，实现金属零件的多自由度和多特征结构的打印，熔丝打印头6的运动不局限于使用X、Y及回转工作台的插补运行机构系统。

使用上述空间增材制造系统进行连续无限长度管件的增材制造时，包括以下步骤：

S1，控制系统2下发对应的指令，双向或多向夹持固定系统11和连续传输系统打开固定的距离，将打印基板或预制体3通过外部系统放置于双向或多向夹持固定系统11及连续传输系统之间，然后控制系统2下发对应的指令，双向或多向夹持固定系统11和连续输送系统通过相应的设计机构将打印基板或预制体3固定加持；

S2，热量传输冷却系统通过冷却管路对双向或多向夹持固定系统11上的散热块11-4进行冷却散热，控制系统2驱动与X轴运动平台和Y轴运动平台固定连接的熔丝打印头6开始工作，通过X轴运动平台和Y轴运动平台的高精度插补运动，熔丝打印头6或者旁轴熔丝打印头6-1的高能热源可将金属丝束在打印基板或预制体3上按照程序指令熔融固化成设计的形状，且打印层的层高度为h；

S3，在打印基板或预制体3上实现一层或几层打印后，双向或多向夹持固定系统11的夹持系统电机11-3驱动丝杠或光杠组件11-1使安装在上面的加紧滑块11-2松开；

S4，加紧滑块11-2松开后，齿轮连续传输系统12通过相应的指令推动主动齿轮12-4转动一定的角度ω，且h＝ω×r，其中为主动齿轮12-4转动的角度，r为主动齿轮12-4半径，h为打印层的层高；

S5，重复S2、S3、S4步骤，可实现打印零件4在Z轴方向的连续无限长度打印；

S6，进一步地，加紧滑块11-2松开后，直线电机连续传输系统17通过相应的指令推动安装在直线电机动子17-4上的夹紧块17-2将加持的打印工件4移动距离l，且移动距离为：l＝h，其中l为直线电机动子17-4移动距离，h为打印层的层高，然后双向或多向夹持固定系统11加紧打印工件4，直线电机动子17-4上的夹紧块17-2松开打印工件4，并驱动其返回到初始位置，再次将打印工件4加紧；

S7，进一步的，重复S2，S3，S6步骤，也可实现打印零件在Z轴方向的连续无限长度打印。

本实施例中，打印零件4的横截面为圆形，但实际打印时可以是其他能够被Z轴双向夹持系统11、齿轮传送系统12可递送、限位、夹紧的其他任意横截面形状。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。