[发明专利]微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统

说明书

本发明提供一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统，包括履带式行走平台以及集成在履带式行走平台上的地形勘测系统、增材制造打印系统以及浮动式取料机构；地形勘测系统，用于勘测确定行星表面适合建筑打印的地形区域以及勘测区域的土壤质量；多个浮动式取料机构，用于在行星表面取壤并通过筛料后，输送至增材制造打印系统的储料仓；增材制造打印系统，集成在履带式行走平台的工作台上，以逐层打印的方式将混合粉料挤出打印口后，在打印区域冷却成型，打印出建筑本体。本发明能够在微重力环境下就地取材，利用打印设备和能源介质开展永久和半永久建筑物搭建、零部件的打印。

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，具体而言涉及一种微重力环境下构建零件和建筑基地的打印筑造系统。

背景技术

人类所赖以生存的地球，是宇宙中一颗普通的行星，仅仅在太阳系内。在其它行星与卫星上，存在着远超人类预期的资源。例如，NASA近期在小行星带锁定了一颗金属小行星，这颗小行星存在丰富的铁、镍金属，其总量超过目前全球的金属铁、镍储备量。假如人类宇航科技到达一定水平，就可以进入外太空采集外地行星资源，供给人类社会发展需求，更快得提升人类的进化速度。

目前人类探索宇宙的手段较为简单，主要基于理论预测和观测，可以归纳为三大类：实际观测、理论预测以及实验模拟与验证。

实际观测，是指通过望远镜、宇宙飞船、人造卫星、光谱分析、宇宙射线分析、引力波分析等手段进行观测研究；

理论预测，是指利用物理、数学等各方面知识在宇宙观测基础上建立理论，并服务于实际观测，例如恒星演化理论、双星理论、宇宙大爆炸理论等，著名的神秘天体“黑洞”就是先通过理论推导提出，再经由实际观测验证出来的。天王星、海王星、冥王星等都是通过理论发现其可能存在，并预测其轨道而发现的。

实验模拟与验证，例如在地球上建立实验和模拟条件与环境，对宇宙中存在的射线、粒子等进行探测和验证。著名的粒子对撞机就是为了研究宇宙学和高能物理学而建的试验设施。

时至今日，人类已经具备了可以满足行星际航行的理论储备，但人类的足迹却只到达过地球的卫星-月球，甚至因为无法提供足够的生命维持系统而无法进行长期驻扎就要匆匆返回地球，地月距离仅为38万公里，这个路程在浩瀚的宇宙空间中完全不值一提，更不用说到达其它的地外行星上进行有实质性意义的地质勘测与资源利用了。

行星际航行是人类太空探索历程需要踏出的第一步，如何实现这一几乎触手可及的历史使命，是摆在科研人员与工程人员面前的艰巨任务。他们要解决长时间飞行中宇航员们的生理需求、心理需求、物资需求、能源需求以及安全保障，还要想方设法将勘测设备、采矿设备在运输到目的地行星上，再利用飞船将资源运回地球。这种想法无疑是客观和实际的，但成本太高，甚至远远超过了资源本身的价值。

能够制造复杂几何形状的增材制造(AM)方法成为了在微重力环境下制造产品的合适方法之一。AM技术能够直接按照计算机模型生成复杂的三维物体，对于现场制造生产而言是极为有利的，如根据就地资源利用原则，在月球等行星表面就地建造永久或者半永久建筑物、零件等。现有技术评估了通过AM技术生产金属零件的能力和可行性，例如，一些金属原料(如铁、铝、钛等)可以通过熔融氧化物电解行星地表表面风化层来生产，但是这种生产方式是复杂且昂贵的。

如果行星质量近似地球质量，或者行星重力环境与地球重力环境相差不大，甚至超过地球重力环境，现有AM技术基本没有技术门槛，例如FDM、SLM、SLA等打印技术，但如果行星重力环境远小于地球重力环境，例如月球表面重力环境约为地球重力环境的1/6，按照现有的技术路线，将会产生不可控的打印质量缺陷，打印产品无法实际应用。