全文摘要
本实用新型公开了一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，涉及航空航天技术领域。包括：料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、浆料收集储存装置、立体光刻3D打印装置、烧结装置和气流装置，在地外行星微重力等环境下使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，再使用混合装置将土壤粉末与光固化树脂进行混合，混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印装置结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好。
设计方案
1.一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，包括：料浆混合装置，所述料浆混合装置的入口分别与地外行星土壤筛分装置和光固化树脂料盒连接，所述料浆混合装置的出口连接浆料收集储存装置，所述浆料收集储存装置的上方设置有立体光刻3D打印装置，所述浆料收集储存装置的后方设置有烧结装置，其中，所述地外行星土壤筛分装置的入口与气流装置连接。
2.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述立体光刻3D打印装置的光源波长为200nm-1000nm，立体光刻3D打印机的成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
3.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述烧结装置采用热烧结或微波烧结方式。
4.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
5.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，还包括分散剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述分散剂储罐连接。
6.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，还包括消泡剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述消泡剂储罐连接。
7.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，还包括流平剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述流平剂储罐连接。
8.根据权利要求1所述的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，其特征在于，所述地外行星土壤筛分装置包括外壳，所述外壳内的腔体中设置有驱动轴和筛板，所述筛板安装在所述驱动轴的一端，且所述筛板的直径略小于所述外壳的内径，所述驱动轴的另一端与电机轴连接。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及航空航天技术领域，尤其涉及一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置。
背景技术
随着科学技术的不断发展，人类对于太空的探索已经不仅仅局限于短暂的停留，而瞄向了停留时间更长的居住及生活。建设月球基地、火星基地等地外行星基地已经成为了摆在航天工作者面前的一个难题，而地外行星基地的建设需要众多的结构件，尤其是复杂的结构件，比如：曲面结构件、镂空结构件等，其结构复杂。由地球上行运输建筑等原材料实现这一宏伟而巨大航天工程所消耗的人力、财力、物力使其变得不现实，原位利用地外行星资源变成了共识。因具有储量巨大、易于开采、温度适应性强、抗辐射等优势，月球土壤、火星土壤等地外行星表面的土壤资源成为了首选理想材料。
目前，利用地外行星土壤制备结构件的方式主要包括：模具冲压法、挤出式3D打印法、激光烧结法，但都存在一定的问题：
模具冲压法只能制备几何形状简单的零件，不适合制备具有复杂几何形状的零件，且成型不同形状的零件需要使用相应的模具，而且不灵活，同时模具尺寸及种类增加了上行运输负担及成本；
挤出式3D打印法可打印形状复杂结构件，但是成型精度较差，成型后需要配合一定表面后处理工序，所以不适用于制备尺寸精度和表面光洁度高的结构件及功能件，比如螺丝、螺母等；
激光烧结地外行星土壤时，粉末在微重力环境下受到干扰容易产生漂浮等不稳定问题，所以会降低成型件的精度，同时较大的能量输入导致成型后的零件易产生过烧、气孔、未熔合等缺陷，严重影响成型件的性能。
因此，上述现有方法存在的问题极大的限制了原位利用地外行星土壤制备建筑件、结构件的应用，延缓了建立地外行星基地开展相关科学研究的进程。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，从而解决现有技术中存在的前述问题。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，包括：料浆混合装置，所述料浆混合装置的入口分别与地外行星土壤筛分装置和光固化树脂料盒连接，所述料浆混合装置的出口连接浆料收集储存装置，所述浆料收集储存装置的上方设置有立体光刻3D打印装置，所述浆料收集储存装置的后方设置有烧结装置，其中，所述地外行星土壤筛分装置的入口与气流装置连接。
优选地，所述立体光刻3D打印装置的光源波长为200nm-1000nm，立体光刻3D打印机的成型范围从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
优选地，所述烧结装置采用常规热烧结或微波烧结方式。
优选地，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
优选地，还包括分散剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述分散剂储罐连接。
优选地，还包括消泡剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述消泡剂储罐连接。
优选地，还包括流平剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述流平剂储罐连接。
优选地，所述地外行星土壤筛分装置包括外壳，所述外壳内的腔体中设置有驱动轴和筛板，所述筛板安装在所述驱动轴的一端，且所述筛板的直径略小于所述外壳的内径，所述驱动轴的另一端与电机轴连接。
本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，在地外行星微重力等环境下使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，再使用混合装置将土壤粉末与光固化树脂进行混合，混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印装置结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
附图说明
图1是本实用新型提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置结构示意图；
图2是本实用新型提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的方法流程示意图；
图1中，各符号的含义如下：
1、光固化树脂料盒；2、活塞；3、气流装置；4、土壤筛分装置；5、滤网；6、筛分后的土壤粉末；7、搅拌桨；8、地外行星土壤粉末与光固化树脂混合物；9、浆料混合装置；10、地外行星土壤浆料；11、光源；12、光照射区；13、立体光刻3D打印件；14、浆料收集储存装置；15、烧结装置；16、烧结后零件；17立体光刻3D打印装置。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
如图1所示，本实用新型实施例提供了一种原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，包括：料浆混合装置9，所述料浆混合装置9的入口分别与地外行星土壤筛分装置4和光固化树脂料盒1连接，所述料浆混合装置9的出口连接浆料收集储存装置14，所述浆料收集储存装置14的上方设置有立体光刻3D打印装置17，所述浆料收集储存装置14的后方设置有烧结装置15，其中，所述地外行星土壤筛分装置4的入口与气流装置3连接。
上述装置的使用过程为：
如图2所示，通过将料浆混合装置9的入口分别与地外行星土壤筛分装置4和光固化树脂料盒1连接，可以使得筛分后的土壤和光固化树脂分别通过入口进入到料浆混合装置。在使用过程中，首先通过采集机器人开采地外行星土壤，然后将其通过气流装置3发出的气流将土壤装在土壤筛分装置4中，气流的作用使得符合粒径要求的粉末6通过滤网5进入到浆料混合装置9中。光固化树脂通过活塞2从光固化树脂料盒1中进入到浆料混合装置9，在搅拌桨7的搅拌作用下，地外行星土壤粉末与光固化树脂的混合物8变成均匀浆料10，进入到立体光刻3D打印装置17的浆料盒及零件成型区域14中。光源11发出固定波长光12，照射在浆料盒及零件成型区域14上，使得浆料固化成型，通过三维运动机构增加光照范围，逐层打印形成打印件13。机器人将打印件取下放置在烧结装置15中烧结，完成后取出烧结件16，即可进行相应的应用。
采用上述结构的装置，可以实现地外行星土壤与光固化树脂混合，从而使得成型过程中材料是精确可控的，避免出现土壤粉末在微重力环境下易漂浮等不稳定问题。
而且得到的地外行星土壤浆料具有较大的粘度，流动性较差，粘度范围为2～100Pa·s，适合微重力环境下进行立体光刻3D打印成型；而且，本实用新型中得到的地外行星土壤浆料具有高固含量、高稳定性优势，可保存6～12月，满足了一次配置长久使用的试验需求。
利用本实用新型提供的装置，可以将得到的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印技术相结合进行3D打印成型，使得成型的结构件不受几何形状的限制，同时，具有较高的尺寸精度与表面光洁度，经过验证，采用本实用新型的装置制备得到的结构件，其光源像素尺寸最小可达50μm，尺寸精度误差可在0.5％以内，表面粗糙度可在5μm以下，与采用现有技术得到的复杂结构件相比，不仅精度更高，而且表面粗糙度更低。
可见，采用本实用新型提供的装置，可以在地外行星的微重力环境等特点的情况下，原位利用地外行星土壤，通过采集、筛分、混合、打印和烧结等过程，不仅能够得到结构复杂，不受几何形状限制的结构件，而且结构件的精度更高、表面粗糙度更低，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
本实用新型中，所述立体光刻3D打印装置17的光源11波长可以为200nm-1000nm。
本实用新型中，可以选用寿命可达5万小时的光源，避免了来回更换光源的麻烦，同时解决了挤出式3D打印过程中容易堵塞打印头的问题。另外，光源的波长也可以根据地外行星具体的地理位置、光照等条件，选择不同的波长，范围可以在200nm～1000nm。
本实用新型中，立体光刻3D打印机的成型范围可以从40mm×40mm×40mm到10m×10m×10m。
因此，采用本实用新型的壮汉子，可以打印成型不同应用领域的结构件，所以，采用本实用新型提供的方法可以适用于多个领域的结构件的制备，基本能够满足地外行星基地的建设需求。
本实用新型中，所述烧结装置15可以采用常规热烧结或微波烧结方式。
对于结构件的烧结工艺，可以采用常规烧结、微波烧结等多种方式，本实用新型中，由于微波烧结具有加热速率快、烧结周期短、能量利用率高等优势，适合能源有限的地外行星烧结过程，所以优选采用微波烧结方式。
另外，所述料浆混合装置、地外行星土壤筛分装置、光固化树脂料盒、立体光刻3D打印装置和烧结装置均采用自动控制。
本实用新型提供的装置，在使用过程中，需要从地外行星土壤采集、筛分、混合、打印成型到烧结等过程均需要考虑地外行星微重力等环境特点，且均采用自动控制的方式实现，极大的减轻了航天员的负担。
本实用新型提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，还包括分散剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述分散剂储罐连接。
上述结构，在使用过程中，可以将分散剂储罐中的分散剂通过料浆混合装置的入口加入到料浆混合装置中，从而使得土壤粉末与光固化树脂混合时，能够在分散剂的作用下进行，加入分散剂后，可大幅提高土壤浆料的稳定性与均匀性，延长浆料的保质期。
本实施例提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，还可包括消泡剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述消泡剂储罐连接。
上述结构，在使用过程中，可以将消泡剂储罐中的消泡剂通过料浆混合装置的入口加入到料浆混合装置中，从而使得土壤粉末与光固化树脂混合时，能够在消泡剂的作用下进行，加入消泡剂后，可降低土壤浆料在混匀搅拌过程中产生的气泡数量，从而减少打印件与烧结件的气孔率，从而提高其力学性能。
本实施例提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，还可以包括流平剂储罐，所述料浆混合装置的入口与所述流平剂储罐连接。
上述结构，在使用过程中，可以将流平剂储罐中的流平剂通过料浆混合装置的入口加入到料浆混合装置中，从而使得土壤粉末与光固化树脂混合时，能够在流平剂的作用下进行，加入流平剂后，可提升打印过程中浆料的流动性，使得浆料可在微重力环境下流动铺平，提高打印精度，在高精度土壤结构件成型过程中尤其重要。
本实施例中，所述地外行星土壤筛分装置还可以包括外壳，所述外壳内的腔体中设置有驱动轴和筛板，所述筛板安装在所述驱动轴的一端，且所述筛板的直径略小于所述外壳的内径，所述驱动轴的另一端与电机轴连接。
上述结构，在使用过程中，可以通过电机轴带动腔体中的驱动轴发生转动，驱动轴带动筛板转动，筛板在转动的过程中，加快对土壤的筛分。
对于该装置的使用过程，进一步解释如下：
上述装置在实际使用过程中，可以首先从地外行星上采集土壤，然后对其进行筛分，根据不同的应用领域以及制备成型的结构件的尺寸，选择不同规格的筛网，将土壤筛分成不同大小的颗粒。比如，在建筑领域中涉及到的尺寸较大砖块等成型时，筛分后得到的土壤粒径范围可以在0.1μm-20mm，在科研及生活领域所用的尺寸较小的结构件及功能件成型时，筛分后得到的土壤粒径范围可以在0.01μm-1cm。这样可极大限度的实现土壤的原位利用效率。
筛分后得到的土壤粉末在地外行星微重力环境下容易发生漂浮等不稳定的问题，本实用新型实施例中，可以将地外行星土壤与光固化树脂混合，从而使得成型过程中材料是精确可控的，避免出现土壤粉末在微重力环境下易漂浮等不稳定问题。
本实用新型中，采用气流装置作为土壤筛分作用力。
由于地外行星上重力作用小，如果只利用重力作用，无法完成对地外行星土壤的筛分，本实用新型中，采用气流装置作为土壤筛分作用力，解决了地外行星重力作用小而无法完成分离的问题。
通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：本实用新型提供的原位利用地外行星资源制备复杂结构件的装置，在地外行星微重力等环境下使用，原位利用地外行星土壤，通过采用气流装置将地外行星土壤进行筛分，再使用混合装置将土壤粉末与光固化树脂进行混合，混合均匀的地外行星土壤浆料与立体光刻3D打印装置结合，打印成型结构件，并将其在烧结装置中进行烧结，完成结构件的制备，不仅实现了原位利用地外行星资源制备复杂结构件，具有极高的环境适应性，而且得到的结构件可以具有复杂的几何形状，成型精度高，表面质量好，使得原位利用地外行星土壤制备的建筑件、结构件能够得到广泛的应用，进而能够加快建立地外行星基地开展相关科学研究的进程，同时，由于材料的均匀性保证了零件在烧结后具有较高的致密度与较高的力学性能，扩宽了其在地外行星基地建筑领域与科研领域的应用。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920074570.3
申请日:2019-01-16
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:11(北京)
授权编号:CN209888158U
授权时间:20200103
主分类号:B29C64/165
专利分类号:B29C64/165;B29C64/314;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y40/00
范畴分类:17J;
申请人:中国科学院空间应用工程与技术中心
第一申请人:中国科学院空间应用工程与技术中心
申请人地址:100094 北京市海淀区邓庄南路9号
发明人:窦睿;刘鸣;唐炜哲;刘晓冬;王功
第一发明人:窦睿
当前权利人:中国科学院空间应用工程与技术中心
代理人:梁艳
代理机构:11337
代理机构编号:北京市盛峰律师事务所 11337
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计