一种月壤构件的3D打印成型装置及方法

本发明涉及太空增材制造，特别是指一种月壤构件的3d打印成型装置及方法。

背景技术：

1、2004年我国正式开展月球探测工程，即“嫦娥工程”，嫦娥工程目前已完成月面勘测任务，下一步即将开展月面基地建造相关任务。由于地月距离达到38万公里，地月运输成本极其高昂，因此在月球基地建造中，很难大规模地将地球上的物质运送至月球表面。建造月球基地要求充分利用月球表面的月壤资源、太阳光能源等进行月面原位制造。

2、目前多家研究机构已提出多种原位制造技术方案，利用月面原位资源进行月面基地建设，需要从地球运输少量特种材料，如增强纤维运输至月球，但由于月面原位资源的局限性，高性能月壤构件月面原位制造难度较大。

技术实现思路

1、本发明提供了一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，以解决现有技术中由于月面原位资源的局限性，高性能月壤构件月面原位制造难度大的技术问题。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、本发明的一个目的在于提供一种月壤构件的3d打印成型装置，所述装置包括光伏发电模块、光集热模块、3d打印模块和基础支撑模块；

4、所述光伏发电模块至少包括一光伏板，所述光伏板被配置为自动追踪太阳位置进行太阳能发电；

5、所述光集热模块至少包括一抛物面全反射镜，所述抛物面全反射镜被配置为自动追踪太阳位置进行位姿调节；

6、所述3d打印模块至少包括一料筒，所述料筒以垂直于月球重力的方向布置，

7、其中，所述料筒布置于所述抛物面全反射镜的光汇聚焦点，将光能转换为热能对料筒进行光加热，

8、并且所述料筒配置电加热元件，所述光伏板至少通过一根导线连接至所述3d打印模块的电加热元件，对所述料筒进行电加热；

9、所述基础支撑模块，用于将所述光伏发电模块、所述光集热模块和所述3d打印模块支撑在月面。

10、在一个较佳的实施例中，所述光伏发电模块还包括第一阳光追踪器、第一角度调节器、第二角度调节器、第一控制器和第一支架

11、所述第一阳光追踪器布置于所述光伏板上，所述第一控制器安装在所述第一支架上，所述光伏板通过所述第一角度调节器与所述第一支架连接，所述第一支架通过所述第二角度调节器与所述基础支撑模块连接；

12、所述第一控制器与所述第一阳光追踪器连接，所述第一控制器与所述第一角度调节器连接，所述第一控制器与所述第二角度调节器连接；

13、所述第一阳光追踪器追踪太阳位置，并将太阳位置信号发送至所述第一控制器，所述第一控制器控制所述第一角度调节器和所述第二角度调节器，调节所述光伏板的位姿，使所述光伏板自动追踪太阳位置进行太阳能发电。

14、在一个较佳的实施例中，所述光集热模块包括第二阳光追踪器、第三角度调节器、第四角度调节器、第二控制器、第二支架和第三支架；

15、所述第二阳光追踪器布置于所述抛物面全反射镜上，所述第二控制器安装在所述第三支架上，所述第二支架与所述抛物面全反射镜固定，所述第二支架通过所述第三角度调节器与所述第三支架连接，所述第三支架通过所述第四角度调节器与所述基础支撑模块连接；

16、所述第二控制器与所述第二阳光追踪器连接，所述第二控制器与所述第三角度调节器连接，所述第二控制器与所述第四角度调节器连接；

17、所述第二阳光追踪器追踪太阳位置，并将太阳位置信号发送至所述第二控制器，所述第二控制器控制所述第三角度调节器和所述第四角度调节器，调节所述抛物面全反射镜的位姿。

18、在一个较佳的实施例中，所述光集热模块还包括第四支架和第五角度调节器；

19、所述第四支架与所述抛物面全反射镜固定，所述第四支架通过所述第五角度调节器与3d打印模块的料筒连接；

20、所述第二控制器与所述第五角度调节器连接，所述第二控制器控制所述第五角度调节器，调节所述料筒的位姿，使所述料筒始终处于垂直于月球重力的方向。

21、在一个较佳的实施例中，所述3d打印成型装置还包括料斗、螺杆、纤维辊、喷头和打印平台；

22、所述料斗连通所述料筒，所述螺杆伸入所述料筒，所述纤维辊布置于所述料筒的一侧，所述纤维辊上卷绕连续纤维；

23、所述喷头布置于所述料筒的一侧并连通所述料筒，所述螺杆配置在所述料筒内往复运动，挤压所述料筒内的熔融物料进入所述喷头；

24、所述打印平台布置于所述喷头下方，并且所述打印平台被配置为：在x方向、y方向和z方向运动；

25、所述喷头上端开设圆形小孔，用于将所述纤维辊上的连续纤维引入所述喷头，所述喷头将熔融物料和连续纤维挤出至所述打印平台。

26、在一个较佳的实施例中，所述3d打印成型装置还包括第三控制器和电机；

27、所述第三控制器连接所述电机，所述电机连接所述螺杆，所述第三控制器控制所述电机驱动所述螺杆在所述料筒内往复运动。

28、在一个较佳的实施例中，所述3d打印成型装置还包括多轴运动装置和第四控制器；

29、所述第四控制器连接所述多轴运动装置，所述多轴运动装置上安装所述打印平台，所述多轴运动装置与所述基础支撑模块连接；

30、所述第四控制器控制所述多轴运动装置驱动所述打印平台在x方向、y方向和z方向运动。

31、在一个较佳的实施例中，所述基础支撑模块包括第一底座和第二底座；

32、所述第一底座下方固定第一减震支座，所述第一减震支座通过第一地锚固定于月面，所述第一底座上方支撑所述光伏发电模块；

33、所述第二底座下方固定第二减震支座，所述第二减震支座通过第二地锚固定于月面，所述第二底座上方支撑所述光集热模块和所述3d打印模块。

34、在一个较佳的实施例中，所述光伏板对所述光伏发电模块、所述光集热模块和所述3d打印模块供电。

35、本发明的另一个目的在于提供一种月壤构件的3d打印成型方法，利用本发明提供的一种月壤构件的3d打印成型装置进行月壤构件的3d打印成型，包括如下方法步骤：

36、s1、备料：

37、将月壤破碎呈颗粒状，制备第一物料；

38、s2熔融：

39、将第一物料装入3d打印成型装置的料斗，料斗内的第一物料在月球重力作用下到达料筒，电加热元件对料筒进行电加热，抛物面全反射镜对料筒进行光加热，使料筒内的第一物料熔融形成第二物料；

40、s3、挤出：

41、螺杆响应电机在料筒内旋转向下推进物料运动，推送/挤压料筒内的第二物料进入喷头，同时纤维辊上的连续纤维引入喷头，连续纤维和第二物料从喷头下端的喷口一起挤出，形成第三物料；

42、s4、定型：

43、第三物料挤出至打印平台，多轴运动装置驱动打印平台在x方向、y方向和z方向运动，使第三物料在打印平台上逐层堆叠，第三物料通过自然冷却定型，得到3d打印成型的月壤构件。

44、本发明上述技术方案，与现有技术相比至少具有如下有益效果：

45、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，综合利用了电热和光热两种加热模式，可实现物料高效加热熔融，制备效率高，打印物料可选多种不同类型的材料，可拓展性好。

46、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，采用螺杆挤出方式通过螺杆旋转挤压提升熔融物料的密实度，从而提升月壤构件的力学性能，技术难度小。

47、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，采用连续纤维作为增强材料并通过3d打印技术实现月壤构件月面原位制造，喷头处熔融物料与连续纤维共挤出，获得连续纤维增强复合材料，可显著提升月壤构件的力学性能，技术可行性好。

48、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，通过调控多轴运动装置的运动实现多种形状月壤构件的3d打印成型，可设计性强。

49、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，在底座下加装了减震支座，并结合地锚固定支座，既可实现月面装备的稳定放置，又可降低月震对设备运行稳定性的影响，设备稳定性好。

50、本发明提供一种月壤构件的3d打印成型装置及方法，技术可行性好、技术难度小、制备效率高、可拓展性好、可设计性强、设备稳定性好，充分利用了月球表面原位资源和连续纤维的增强特性，实现了高性能月壤构件的3d打印制造。