一种面向地外星球的建材原位制造装置及其方法

1.本发明涉及月球空间基地建设技术领域，具体而言涉及一种面向地外星球的建材原位制造装置及其方法。


背景技术：

2.月球探索及其资源利用受到世界主要航天科研机构的关注，各国陆续开展了多次探月登月活动，并对未来月球基地的开发进行了规划，其中建设月球基地是重要组成部分。经研究表明月壤中几乎包含了所有深空探测、生命保障所需的元素，月球风化层中含有的铁元素促进了月壤和微波辐射之间的耦合作用,可有效提高烧结产物的黏附力和强度,使月壤易于成型并有望成为月球就地利用的最佳资源。建设月球基地过程中，如何克服月面环境、月面资源条件和空间运输条件的制约另外3d打印能够直接、快速地建造出形状复杂的实体，在建筑业极具前景，近年来国内外研究人员在利用模拟月壤作为原料的增材制造领域开展了一系列的研究工作，证明了3d打印的可行性。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服月面环境、月面资源条件和空间运输条件的制约，而提出的一种面向地外星球的建材原位制造装置及其方法。
4.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种面向地外星球的建材原位制造装置，由总控制动力系统、月壤分选系统、月壤加热熔融系统、3d打印系统和纤维拉丝复合系统五部分组成。
5.所述总控制动力系统包括总控装置、太阳能板、履带；
6.所述月壤分选系统包括月壤钻取装置a、阀门c、振动粉碎器a、物料输送泵a、储壤箱b、超声波振动分选仪、废壤箱；
7.所述超声波振动分选仪包括上出料口、滤网b、振动机、超声波电源、超声波换能器、下出料口、振动弹簧；
8.所述月壤加热熔融系统包括废料箱、物料输送泵b、电热丝加热装置、物料加热储藏罐、滤网a；
9.所述3d打印系统包括熔融物存储器、冷却装置、温度传感器a、高温物料输送管、3d打印机、超高温物料输送泵b、打印控制器、折叠伸缩装置、温度传感器b；
10.所述3d打印机包括扫描器、喷头、喷料存储罐、滑动轮；
11.所述纤维拉丝复合系统包括纤维拉丝装置、月壤钻取装置b、阀门e、振动粉碎器、物料输送泵c、储壤箱a、微波加热复合装置；
12.所述纤维拉丝装置包括阀门a、超高温物料输送泵a、物料存储器、喷嘴、拉丝漏板、拉丝机、温度传感器c；
13.所述微波加热复合装置包括微波加热器、阀门b、复合成型箱、复合砖传输器、微波加热室、智能液压传感器；
14.所述3d打印系统的熔融物存储器一端通过设置有温度传感器b和超高温物料输送泵b的导管与加热储藏罐的右侧保温区相连；储藏罐的保温区里的熔融月壤达到温度传感器b设定的温度后，可通过超高温物料输送泵b输送至3d打印系统的熔融物存储器；
15.所述3d打印系统的熔融物存储器的另一端通过导管与冷却装置连接；所述冷却装置右端设置温度传感器a和高温物料输送管；所述高温物料输送管一端连接冷却装置，另一端连接3d打印机的喷料存储罐；熔融月壤在冷却装置中冷却至设定温度后，通过高温物料输送管将月壤输送至喷料存储罐中；
16.所述3d打印机由所述打印控制器控制；所述3d打印机设置在折叠伸缩装置上，通过折叠伸缩装置的往复移动进而带动3d打印机实现移动；
17.所述3d打印机的喷料存储罐底部设置有至少3个喷头；3d打印机的底部设置有扫描器，以实现精准高效打印；3d打印机的纵向和横向分别设置横向轨道与纵向轨道，在横向轨道与纵向轨道内均设置滑动轮，通过外力牵引实现喷头在平面内移动；
18.所述微波加热复合装置的微波加热室连接储壤箱a；所述储壤箱a，物料输送泵c，振动粉碎器b和月壤钻取装置b依次通过导管连接；振动粉碎器b将月壤钻取装置b钻取获得的月壤粉碎为小颗粒，物料输送泵c将小颗粒月壤输送至储壤箱a中；
19.所述微波加热复合装置下部设置有复合成型箱，上部设置有微波加热室，右侧设置有微波加热器；微波加热室和复合成型箱之间是设置有阀门b；阀门b具有关闭和打开两种状态；复合成型箱底部设置有复合砖传输器；微波加热室底部设置有智能液压传感器；月壤由物料输送泵运送至微波加热室中，在微波加热器作用下进行加热，当达到智能液压传感器设定的液压后，阀门b由关闭状态切换到打开状态，将加热后的物料输送到复合成型箱内；在复合成型箱内，加热后的物料可以与来自拉丝机的拉丝进行层叠铺盖，制备标准尺寸的复合砖；标准尺寸的复合砖通过复合砖传输器传送到月球表面。
20.优选地，所述月壤钻取装置a顶部设置有土壤传输导管；所述月壤钻取装置a，振动粉碎器a，物料输送泵a，储壤箱b依次通过土壤传输导管连接；所述振动粉碎器a可将月壤钻取装置a钻取出的月壤粉碎成为颗粒状，颗粒状月壤通过物料输送泵a输送进储壤箱b中；所述储壤箱b底部通过设置有阀门的导管与超声波分选仪连接；颗粒状月壤通过设置有阀门的导管输送到超声波分选仪中；所述超声波分选仪中部设置振动机；振动机上部设置滤网b；在滤网b两侧设置有超声波换能器，超声波换能器将超声波电源产生的超声波转化为机械振动，与振动机协同工作，实现精细筛分；超声波分选仪底部设置超声波电源，两侧设置有振动弹簧；所述振动弹簧支撑振动机，用于隔振；所述振动机带动所述滤网b振动，进而对颗粒状月壤进行筛选；穿过滤网b的月壤颗粒通过下出料口输出；未穿过的月壤颗粒由上出料口输送至废壤箱。
21.优选地，所述下出料口通过设置有阀门的导管与物料输送泵b相连，物料输送泵b将筛选出的月壤颗粒输送至物料加热储藏罐中；所述物料加热储藏罐分为左侧加热区和右侧保温区，左侧加热区和右侧保温区之间设置有滤网a；加热储藏罐下部设置有电热丝，电热丝左侧部分进行加热，右侧部分进行保温防止凝固；月壤颗粒加热成熔融状态后，未通过滤网a的月壤经管道输送进废料箱内；通过滤网a的月壤进入到右侧保温区。
22.优选地，所述纤维拉丝装置的物料存储器通过设置有阀门与温度传感器c的导管与加热储藏罐的右侧保温区相连；物料存储器和加热储藏罐连接的导管上设置有超高温物
料输送泵a；所述超高温物料输送泵a将月壤输送至纤维拉丝装置的物料存储器中；所述物料存储器下部设置有至少1个喷嘴；喷嘴下部依次设置有拉丝漏板和拉丝机；喷嘴将月壤喷到拉丝漏板上经拉丝机完成拉丝；复合成型箱通过导管与拉丝机的出丝口连接；拉丝通过导管输送至复合成型箱中。
23.优选地，所述建材原位制造装置的底部两侧设置有履带；月壤钻取装置a和月壤钻取装置b分别设置于建材原位制造装置的前后两侧；复合成型箱底部的复合砖传输器分布于建材原位制造装置的中部。
24.一种面向地外星球的建材原位制造方法，其主要包括以下步骤：
25.步骤1：开启总控装置，开启月壤钻取装置a，开启阀门c，打开振动粉碎器a和物料输送泵a，将钻取获得的月壤振动粉碎为小颗粒后泵送储存进入储壤箱b中，打开阀门，通过导管将月壤输送至超声波分选仪内，分选合适的月壤，未通过滤网b的月壤存储进废壤箱中，通过滤网b的月壤被分选出来；
26.步骤2：开启月壤加热熔融系统中的阀门和物料输送泵b，将分选出的合适月壤泵送至物料加热储藏罐中左侧的加热功能区，将月壤加热成熔融状态，未通过滤网a的物料，进入废料箱，通过滤网a的物料，进入加热存储罐中右侧的保温区，达到温度传感器设定的温度后，泵送至下一级装置；
27.步骤3：开启3d打印系统，将分选出的一部分熔融状态的月壤输送至熔融物存储器中，经冷却装置冷却后，经高温物料输送管输送至3d打印机中，制备异形复合砖。
28.步骤4：开启纤维拉丝复合系统，将分选出的一部分熔融状态的月壤，泵送至纤维拉丝装置中完成拉丝，再将制备好的纤维丝，运输至微波加热装置底部的复合成型箱中等待复合，右侧月壤钻取装置b钻取到的月壤通过振动粉碎器b粉碎为小颗粒后，泵送至储壤箱a中，泵送进微波加热室中加热，达到智能液压传感器设置的压力后阀门打开，物料进入复合成型箱中，与待复合的纤维丝，实现层叠铺盖，制备标准尺寸复合砖，通过底部的复合砖传输器，输送到月球表面。
29.优选地，所述步骤3和步骤4可以同时进行，也可以相互独立进行，互不影响。
30.本发明的有益效果是：(1)本发明所使用的原料均来自月球表面，极大的克服了原料需地月运输的问题，降低了工作成本；(2)同时实现月球表面复合材料的制备和3d打印机原位建造；(3)本发明装置使用太阳能板发电，不消耗燃料，不产生污染；(4)本发明装置集成度高，可以方便地部署。
附图说明
31.图1为本发明装置的整体结构示意图；
32.图2为超声波分选仪的结构示意图；
33.图3为纤维拉丝装置的结构示意图；
34.图4为微波加热复合装置结构示意图；
35.图5为3d打印机的结构示意图。
36.图1中1为月壤钻取装置a、2为阀门c、30为振动粉碎器a、3为物料输送泵b、29为储壤箱b、4为超声波分选仪、5为废壤箱、6为废料箱、7为物料输送泵b、8为物料加热储藏罐、9为纤维拉丝装置、10为电热丝加热装置、11为履带、12为微波加热复合装置、13为月壤钻取
装置b、14为阀门e、31为振动粉碎器b、15为折叠伸缩装置、16为物料输送泵c、17为储壤箱a、18为太阳能板、19为总控装置、20为熔融物存储器、21为高温物料输送管、22为温度传感器a、23为冷却装置、24为打印控制器、25为3d打印机、26为超高温物料输送泵b、27为温度传感器b、28为滤网a、4-1为上出料口、4-2为滤网b、4-3为振动机、4-4为超声波电源、4-5为超声波换能器、4-6下出料口、4-7振动弹簧、9-1为阀门a、9-2超高温物料输送泵a、9-3为物料存储器、9-4为喷嘴、9-5为拉丝漏板、9-6拉丝机、9-7为温度传感器c、12-1为微波加热器、12-2阀门b、12-3为复合成型箱、12-4为复合砖传输器、12-6为智能液压传感器、25-1为扫描器、25-2为喷头、25-3为喷料存储罐、25-4为滑动轮。
具体实施方式
37.下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。
38.参见图1-5，一种面向地外星球的建材原位制造装置，主要包括总控制动力系统、月壤分选系统、月壤加热熔融系统、3d打印系统和纤维拉丝复合系统。所述总控制动力系统部分包括总控装置(19)、太阳能板(18)、履带(11)为整个系统提供动力并使其自由移动；所述月壤分选系统部分包括月壤钻取装置a(1)、振动粉碎器a(30)、储壤箱b(29)、超声波分选仪(4)、废壤箱(5)，分选出合适的月壤；所述月壤加热熔融系统部分主要包括物料加热储藏罐(8)、电热丝加热装置(10)、废料箱(6)、滤网a(28)，制备所需要的熔融状月壤；所述的3d打印系统部分包括熔融物存储器(20)、冷却装置(23)、温度传感器a(22)、超高温物料输送泵b(26)、3d打印机(25)、打印控制器(24)、折叠伸缩装置(15)制备异形复合砖；所述的纤维拉丝复合系统部分包括纤维拉丝装置(9)、月壤钻取装置b(13)、振动粉碎器b(31)、阀门e(14)、物料输送泵c(16)、储壤箱a(17)、微波加热复合装置(12)实现层叠铺盖，制备标准尺寸复合砖。
39.一种面向地外星球的建材原位制造方法，工作步骤如下：
40.开启总控装置(19)，开启月壤钻取装置a(1)，开启月壤钻取装置a(1)的阀门c(2)，将钻取获得的月壤在导管上方振动粉碎器a(30)的作用下，粉碎为小颗粒，打开物料输送泵a(3)，将粉碎好的小颗粒月壤保存至储壤箱b(29)中，打开阀门通过导管输送至超声波分选仪(4)内，分选合适的月壤，未通过滤网b的月壤存储进废壤箱(5)中，通过滤网b的月壤被分选出来，输送至下一级装置；
41.开启月壤加热熔融系统中的阀门d(6)和物料输送泵b(7)，将分选出的合适月壤泵送至物料加热储藏罐(8)中左侧的加热功能区，将月壤加热成熔融状态，未通过滤网a(28)的物料，存储至废料箱(6)中，通过滤网a(28)的物料，进入加热存储罐中右侧的保温区，达到温度传感器设定的温度后，泵送至下一级装置；
42.开启3d打印系统，当物料达到温度传感器b(27)设定的温度后，将分选出的一部分熔融状态的月壤输送至熔融物存储器(20)中，经冷却装置(23)冷却后，通过高温物料输送管(21)输送至3d打印机(25)中，制备异形复合砖。
43.开启纤维拉丝复合系统，将分选出的一部分熔融状态的月壤，泵送至纤维拉丝装置(9)中完成拉丝，再将制备好的纤维丝，运输至微波加热装置(12)底部的复合成型箱(12-3)中等待复合，右侧月壤钻取装置b(13)钻取到的月壤在振动粉碎器b(31)的作用下，粉碎成为小颗粒，泵送至储壤箱a(17)中，输送进微波加热室(12-5)中加热，待达到智能液压传
感器(12-6)设置的压力后阀门(12-2)打开，物料进入复合成型箱(12-3)中，与待复合的纤维丝，实现层叠铺盖，制备标准尺寸复合砖，通过底部的复合砖传输器(12-4)，输送到月球表面。
44.以上所述为本发明的较佳实施案例，并不用以限制本发明，在不脱离本发明精神和范围和前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进应包含在本发明的保护范围之内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及同等物界定。