[发明专利]面向太空制造的压差驱动式均匀金属微滴可控喷射装置

说明书

本发明一种面向太空制造的压差驱动式均匀金属微滴可控喷射装置，属于太空金属3D打印领域；包括喷头、真空箱体、运动平台、电机、滚珠丝杠、真空泵、变径四通、送料模块、惰性气体气源、高压针阀、压电陶瓷驱动器和脉冲信号发生器；喷头与真空箱体密封安装；运动平台、滚珠丝杠安装于真空箱体内使得扫描件在平面内沿X轴、Y轴、Z轴移动；所述变径四通包括箱体电磁阀、进气电磁阀和送料阀门；通过箱体电磁阀和进气电磁阀控制真空泵的管路通断，调节真空箱体的真空环境；通过送料阀门控制送料模块内固体金属材料的供应量；所述高压针阀与惰性气体气源连通，与真空泵配合控制喷头喷射时组合坩埚和真空箱的压差，实现压差可控式均匀微滴喷射。

技术领域

本发明属于太空金属3D打印领域，具体涉及一种面向太空制造的压差驱动式均匀金属微滴可控喷射装置。

背景技术

均匀金属微滴喷射技术由于无需特制原材料、装置集成化和无约束自由成型精度高等优点，十分适合用于航天探索活动中的金属件原位增材制造。但现有均匀金属微滴喷射沉积大多利用惰性气体环境对金属微滴喷射及沉积过程进行低氧保护，所使用的惰性气体本身是耗材，难以减小对补给依赖。

文献1“YAN Q,Yu H,WEI B,et al.Solidification feeding behavior andmodel of vacuum counter-pressure casting technology[J].The Chinese Journal ofNonferrous Metals,2008,6:017.”中提到真空压差铸造可以提高成型制件质量。通过在铸件凝固过程中凝固补缩可实现控制结晶凝固过程，使得铸件组织致密、性能优良。文献中搭建了真空差压铸造设备并且通过建立铸造凝固补缩过程数学模型得到晶间处补缩速度。研究得出影响补缩速度和补缩能力的主要因素和保压压力与铸件致密度之间的关系。

专利[2]“齐乐华，张康，罗俊，黄杰光：均匀金属微滴变角度控向喷射装置及利用该装置打印大倾角结构件的方法.西北工业大学，国家发明专利公开号CN108838399A”中发明了实用性强的倾角打印喷射装置。装置包括压压电驱动器、压电陶瓷、传振件(杆和片)、坩埚(储料腔和送料腔)、喷嘴和加热炉等组成。该装置的工作原理是，通过加热炉使金属材料在坩埚中熔化形成熔液，在送料坩埚通入惰性气体，使熔液充满喷嘴与传振片之间的间隙，并通过驱动压电陶瓷，实现压电激振微滴喷射打印，金属材料工作环境是手套箱惰性气体低氧环境。

实验手套箱是通过过渡舱将装好料的喷头转移到箱体内，然后加热直至固体材料熔化，连接箱内进出气路管道使喷头内部与外部惰性气体连通，给予送料腔背压从而使液体充满储料坩埚进行喷射。手套箱环境生成与维护都依赖于外接的压缩气体罐且耗费量大，造成更换气罐比较频繁。这样的设置不仅增加了装置体积和实验的步骤，而且不能实现连续加料。

对于太空制造需要耗材尽量少以便长久使用，若能通过少量惰性气体在真空环境中实现坩埚内外压差进行喷射，既能避免氧化反应对成形过程的影响又能实现背压大大减小真空均匀金属微滴喷射打印难度，适合用于太空等复杂环境的快速制造。当材料为金属时装置只能用在实验室手套箱低氧环境中，由于真空环境对装置耗材、密封和体积质量等均有严格要求所以不能将其直接应用真空环境中。

本发明提出一种通过控制坩埚腔体与工作环境内外压差实现真空环境金属微滴喷射的装置。在对喷射环境和坩埚内残留气体抽真空的基础上向坩埚中通入定量惰性气体实现可控式压差驱动喷射。解决太空制造耗材与装置运载十分困难的问题。为复杂环境的均匀金属微滴喷射快速制造提供了可行方法。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种面向太空制造的压差驱动式均匀金属微滴可控喷射装置，采用真空箱体和喷头法兰密封连接；变径四通电磁阀控制加料和进出气路；焊接、紧凑型法兰螺纹连接和轴承动密封保持箱体内部的密封性；在箱体上使用针阀，控制喷头内部和真空箱环境的压差；以实现压差可控式均匀金属微滴喷射环境。