[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

说明书

本发明公开了一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置，包括真空系统、金属熔融系统、运动系统和监测系统，使用金属丝材为制备原料，采用高能束热源为能量，用于失重飞行微重力和真空工况下的金属增材精密制造。采用轻质化的腔体设计与紧凑型的运动系统布置，提升成型区有效空间与系统占用空间比值，满足失重飞行实验平台机械和电气约束条件，开展失重飞行周期性微重力环境下的金属增材制造实验；配备可调真空系统，保证金属丝材增材制造全过程在真空环境中；完整记录制造过程及状态数据，为制造过程的观察与回溯提供技术保障；使用环列式高能束热源聚焦小直径光斑，配合精确送丝系统，保证热源与原材料的对称与同心，实现精密制造。

技术领域

本发明属于空间制造与材料科学交叉学科领域，涉及一种面向失重飞行和真空工况的金属增材制造装置。

背景技术

为满足太空探索中的补给保障，降低运输压力、减少备件数量、及时应对突发状况，同时拓展在轨零部件制造技术，助力深空探索技术的发展，国际上正积极开展太空增材制造技术方面的研究，该研究将为实现空间站即造即用后勤保障提供关键科学基础和关键技术基础，并为满足国家在航空航天、国防军工等领域的重大战略需求提供支撑。

鉴于太空中不同于地球表面的高真空度、零重力等外部环境特点，如何在近地模拟太空环境，并基于模拟环境验证太空增材制造技术，尤其是以金属为原材料的增材制造已成为探索太空增材制造技术中的瓶颈难题。

失重飞行是指利用改装后的飞机进行周期性的抛物线飞行获得周期性的微重力周期，相较传统落塔试验，失重飞行试验具有更长的失重时间，相对稳定的加速度周期，通常单架次飞行时长在2～3小时左右，单架次飞行可执行30次以上抛物线失重飞行，为空间金属增材制造提供了更优的微重力实验条件。

落塔试验技术是开展微重力科学和应用工作的基本手段之一，受限于微重力试验时间、微重力加速度水平以及可允许试验设备的重量和容积等条件限制，大多空间微重力探索试验无法利用其开展，如中国科学院力学研究所建成的微重力落塔，塔高116m，自由落体实验仅获得3.60s的微重力时间，最大冲击加速度＜15g，对于需要一定时长进行金属件制备的空间金属增材制造，无法满足其需求。

发明内容

本发明提供一种面向失重飞行和真空工况的高能束金属增材制造装置，拓展现有太空增材制造试验研究技术路线，搭建近地空间金属增材制造验证平台，解决除搭载科学卫星及进入空间站外，近地无法同时模拟太空微重力和真空环境进行金属增材制造验证的瓶颈问题。

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。

作为优选，所述实验装置的原料为金属丝材，所述金属丝材直径为0.1mm-8mm。

作为优选，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。

作为优选，所述真空泵包括干泵、罗茨泵、分子泵和离子泵中的一种或几种。

作为优选，所述真空阀包括用于节流调速的蝶阀、球阀、隔膜阀、挡板阀、插板阀、角阀和直通阀中的一种或几种。