[发明专利]一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置

权利要求书

1.一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，金属熔融系统安装于运动系统的机架顶板上侧，与运动系统中送丝机构送出的金属丝材对心，用于在失重飞行中提供高能束热源熔融金属丝材，所述运动系统固定在真空系统内，用于金属丝材的送出和成型基板的多自由度运动，所述监测系统安装于真空系统外侧，用于在增材制造过程中记录金属丝材熔融成型全过程、记录熔池区间的温度区间分布、采集失重周期数据，以利于指导并调整零件成形策略；所述真空系统固接在失重飞行机舱轨道对接板上，进入失重飞机机舱后，装置通过失重飞行机舱轨道对接板与失重飞机连接固定；

金属熔融系统包括第一聚焦光路，第二聚焦光路，第三聚焦光路，第四聚焦光路，第五聚焦光路，安装座和送丝嘴，5路聚焦光路结构相同，均采用光纤、聚焦透镜组和反射镜组合而成，环列均布固定在安装座上，所述金属熔融系统使用5路光纤耦合输出半导体激光器作为能量源，第一聚焦光路，第二聚焦光路，第三聚焦光路，第四聚焦光路和第五聚焦光路沿来料丝材轴线方向均匀布置形成环列式激光聚焦系统，5路光纤耦合输出半导体激光器出光后，沿着5路光纤，依次经过光纤出头、聚焦镜组、反射镜后形成激光光束汇聚点，来料丝材与光束汇聚点在结构上保持同心，5束激光在金属丝材表面形成环形均匀加热区域，激光聚焦后形成小直径光斑，金属丝材经固定在安装座上的送丝嘴出丝，与光斑相遇熔融成型；

所述运动系统包括平面运动机构、垂直运动机构和送丝机构；

所述平面运动机构包含不少于2个自由度，其中1个自由度采用滚珠花键配合同步带传动方式，另1个自由度采用丝杆传动方式，以减少平面运动机构占用空间，实现紧凑化布局，基板与平面机构连接并在平面机构的驱动下实现沿水平面的单轴直线运动和多轴耦合曲线运动；所述送丝机构包括丝盘、丝盘限位器、送丝器和导丝管，所述丝盘悬挂固定，丝盘限位器与丝盘相连接，用以限制丝盘除旋转方向外的自由度；低转矩真空电机驱动的送丝器从远端出丝；

所述丝盘采用大直径薄盘低阻尼旋转结构，其轴线垂直固定于真空腔体内顶部，所述丝盘内置真空轴承降低旋转阻力，其外侧对称分布三组丝盘限位器；

所述监测系统包括失重飞行加速度采集器、热电偶、高速红外热像仪、高速摄像机、焊接相机和照明光在内的测量、观测及辅助照明工具；所述监测系统连续采集并记录失重飞行过程中的三轴加速度数据；所述监测系统采集成型过程中的高速影像，记录金属丝材熔融成形的全过程信息，提取成型区熔融体的精确三维形貌动态特征、温度特征。

2.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述金属增材制造装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

3.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空系统包括真空腔门、真空腔体、真空规、真空泵和真空阀；

所述真空腔体和腔门采用轻质薄板结构，板上分布加强筋保证腔体刚度；

所述真空泵采用多级串联方式保持腔体压力维持在一定真空度；

所述真空泵通过真空规获取压力反馈值配合真空阀通断控制启停。

4.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空泵包括罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。

5.根据权利要求3所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述真空规包括热偶规、电阻规、热阴极规、冷阴极规和复合规中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述三轴加速度正方向分别为飞行器底板指向顶板、飞行器尾部指向头部和飞行器左侧指向右侧。

7.根据权利要求1所述一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，其特征在于：所述监测系统在观测物距不小于300mm时，清晰记录成型过程中不大于10mm×10mm视场的影像。