[发明专利]一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头

说明书

一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头，包括：加热块、压盖管、纤维导管、喉管、散热管、喷头、气凝胶包裹层、丝材导向管接头、聚四氟乙烯管、聚酰亚胺隔热垫。本发明采用气凝胶包裹层对空间3D打印头组件进行热环境控制，既满足加热块和打印喷头区域的高温需求，也满足打印头周边其他附件的低温环境需求，减少废热辐射，高效利用能源，建立有效的隔热保护。本发明方法具有使用材料少、实施工艺便捷、成本低，无污染，空间在轨3D打印节约能耗、保温隔热效果好。

技术领域

本发明涉及一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头，属于空间增材制造领域。

背景技术

打印喷头是3D打印机的核心部件，打印喷头附近的微环境控制是决定打印产品性能和质量的关键因素。目前市场上的3D打印成形设备，基本没有能耗限制，为了达到聚乳酸、聚醚醚酮等材料的软化点，喷头加热块使用了大功率的电加热棒，将打印喷头从常温极速升温到210℃、350℃等温度。而且大多数聚乳酸打印机舱体为开放状态，喷头挤出材料到达基板时，通过风扇加强空气对流，实现降温成型。这种打印头加热方式应用于航天器舱内空间3D打印时存在以下问题：

1)加热块是主要耗能部件。地面3D打印过程中，通过大功率的加热棒，可以使打印喷头迅速升温，并持续加热保持喷头温度高于材料熔融温度，这种始终加热的方式需要持续耗费较高的能源。地面3D打印通常使用220V民用电压，或者360V工业电压。而在空间航天器所能给予的电源通常为24～33V，电流控制也相对较低，可提供的功率有限，无法长时间提供高功率负载。

2)空气对流是散热的主要渠道。市面上打印聚乳酸等材料的熔融沉积成形3D打印设备，大多数为开放设备，即打印头和基板均处于室温空气对流环境下，即使局部温度过高，通过风扇加强空气对流，可以降低喷头附近其他部件的温度。有些打印头上还设置了2个以上的风扇，通过多个风流通道把多余热量带走。航天器内部空间有限，即使在密封舱内增加空气对流，空气流速和流通范围也很有限，多余的热量通过风扇带到了舱内其他载荷上，加重了整体环境热负载，显然是不合理的。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头，能够高效利用能源，减少废热辐射，既满足加热块和打印喷头的高温需求，也满足打印头周边其他附件的低温环境需求，建立有效的隔热保护。

本发明的技术方案是：

一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头，包括：加热块、压盖管、纤维导管、喉管、散热管、喷头、气凝胶包裹层、丝材导向管接头、聚四氟乙烯管、聚酰亚胺隔热垫；

所述加热块开有第一通路和第二通路，所述第一通路的轴线和第二通路的轴线共面且相交；所述第一通路轴线和第二通路轴线之间的夹角θ的取值范围为15°～60°；

所述第一通路为阶梯通孔，所述第一通路的一端连接纤维导管的一端，所述纤维导管的另一端固定连接压盖管的一端，所述压盖管的另一端伸出所述加热块；所述压盖管通过螺纹连接加热块使所述纤维导管在加热块中的位置固定；所述第一通路的另一端与喷头固定连接；

所述第二通路为阶梯孔，所述第二通路的一端与所述第一通路连通；喉管、散热管、丝材导向管接头依次连接，所述喉管的端部与所述第二通路的另一端固定连接；

所述喷头的端部开有锥形槽，所述锥形槽和所述第一通路内壁围成的空腔作为熔池；聚四氟乙烯管从所述丝材导向管接头、散热管插入所述喉管，所述聚四氟乙烯管用于将热塑性材料导入所述熔池内；连续纤维增强体依次通过所述压盖管、纤维导管流入所述熔池内；

所述第一通路轴线和第二通路轴线的交点作为熔聚点，所述熔聚点位于所述熔池内；所述熔聚点位置满足下述比例关系：

d1：d2：d3＝1：1：0.45，