基于激光烧结升温特性分析的月壤原位成型技术研究

发布时间：2021-09-18 09:37

　　目的分析利用激光烧结技术实施月壤原位成型的特点及方案,为月壤原位成型工程化设计和分析提供借鉴。方法基于国内外月壤原位成型技术路径,对比分析激光烧结成型技术方案的优势。通过激光照射条件下多层月壤颗粒升温模型,分析加热温度随激光器输出功率、月壤粒径、聚焦光斑直径及激光扫描速度的变化规律。基于"纪念碑"成型任务,提出一种基于封闭烧结腔和补给移动机构的激光烧结方案。结果激光烧结成型技术方案的优势是成型体性能及精度较高,无需添加辅料,非接触式,便于操作和控制,能耗及体积可接受。月壤颗粒能达到的温度取决于能够接受到的辐射能量,无论是提升激光器输出功率,还是缩小光斑直径,都能提升颗粒接受到的辐射能量密度。降低扫描速度,则颗粒接收辐射能量的时间增长,而月壤颗粒粒径变小,由于颗粒质量与粒径是三次方的关系,也能够提高单个颗粒接收到的辐照能量。激光烧结成型系统由控制装置、激光光源、补给装置、移动装置及电源组成,基于初步的分析计算,建议的系统耗能约为300 W,光斑直径为50μm,成型效率约为38 g/h。结论基于激光烧结技术路径的月壤原位成型技术具有一定的优势,建议采用低功率、小光斑、低扫描速度的技术策略,... 

【文章来源】：装备环境工程. 2020,17(03)

【文章页数】：6 页

【部分图文】：

单层月壤颗粒面积空隙示意

在给定参数取值下，分别计算加热温度随激光器输出功率、月壤粒径、激光聚焦光斑直径以及激光扫描速度的变化规律。如图2所示，加热温度随激光器输出功率的增大而增大，在对照组参数条件下，需要约30 W的激光输出功率才能保证第三层月壤颗粒达到适宜的成型温度（约为1350℃，利用模拟月壤及北京卫星环境工程研究所专用的加热设备，通过对比加热前后模具中模拟月壤的形态获取）。如图3所示，加热温度随成型月壤粒径的变大而降低。由于颗粒质量与粒径是三次方的关系，对于单个颗粒而言，粒径越小，颗粒单位质量接收到的辐照能量越多，因此加热温度越高。在对照组参数条件下，成型月壤粒径在微米量级或者更小，才能达到上文所述的成型温度。

如图3所示，加热温度随成型月壤粒径的变大而降低。由于颗粒质量与粒径是三次方的关系，对于单个颗粒而言，粒径越小，颗粒单位质量接收到的辐照能量越多，因此加热温度越高。在对照组参数条件下，成型月壤粒径在微米量级或者更小，才能达到上文所述的成型温度。如图4所示，加热温度随聚焦光斑直径的变大而降低。聚焦光斑越小，单位面积颗粒表面承受的辐射能量越大。在对照组参数条件下，聚焦光斑在0.1 mm以下，才能达到所需的成型温度。

【参考文献】：
期刊论文
[1]月壤原位成型技术工程适用性浅析[J]. 王志浩,刘宇明,田东波,向树红,冯伟泉,裴一飞,白羽,马子良.  航天器环境工程. 2018(03)
[2]利用月壤进行月球基地建设的3D打印技术[J]. 宋靖华,周青.  华中建筑. 2015(03)
[3]月球混凝土研究进展[J]. 李丽华,唐辉明,刘数华,肖衡林.  混凝土. 2011(09)
[4]月球用水泥及混凝土的探索和设计[J]. 叶青,杨慧,马成畅.  新型建筑材料. 2010(05)
[5]月壤钛铁矿微波烧结制备月球基地结构材料的初步设想[J]. 唐红,王世杰,李雄耀,李芃,陈丰.  矿物学报. 2009(02)

博士论文
[1]浅层月壤铲挖动力学建模及应用研究[D]. 梁磊.哈尔滨工业大学 2014



本文编号：3399904