月壤资源太阳光3D打印工程材料化利用研究

发布时间：2021-03-21 03:26

　　探索浩瀚宇宙是人类不懈追求的航天梦,其关乎人类命运共同体的走向。外星资源原位利用为人类可持续宇宙探索提供了重要契机,其可大幅降低宇宙探索活动对地球发射载荷的依赖。月球表面丰富的月壤资源和充沛的太阳能,为具有战略支撑作用的月球基地建设用工程材料的生产提供了天然先决条件。本文立足“就地取材,原位利用”的理念,采用理论分析、数值模拟与试验验证相结合研究方法,探索月壤直接太阳光增材制造方法,为新时代航天强国外星基地建设增砖添瓦。首先,搭建了直接太阳光粉床熔覆月壤增材制造试验系统。研制了可追光3D打印平台,并结合菲涅尔透镜聚光器、粉床作动平台、辅助加热装置,设计集成了直接太阳光粉床熔覆增材制造系统。进而,分析了系统机械性能和工作窗口、菲涅尔透镜聚光器能量输入特性、辅助加热装置辅助加热效果等工作性能。结果表明,系统适用太阳高度角30°～69.1°,聚光器输入能量密度3.36×10⁶ W/m²～3.87×10⁶ W/m²,辅助加热装置作用下粉床表面平均温度177℃。其次,建立了直接太阳光粉床熔覆增材制造瞬态非线性... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：81 页

【学位级别】：硕士

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系统功能与关系

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-13-2.2.1万向底座构造与功能万向底座由万向轮，钢制底座，合页，电动油缸，打印机托架组成，如图2-2所示。万向底座在整个系统的主要功能是实现打印平台的移动和追光功能。万向轮可实现整个打印系统在水平面内各个方向的平动与转动，从而解决追光过程中太阳在一日之内方位角随时刻变化的问题。电动油缸配合合页与打印机托架可实现打印平台垂直面内的转动。当油缸处于缩回状态时，打印机托架与水平面夹角为20.9°；当油缸行程达到最大时，打印机托架与水平面夹角为32.5°。月壤的休止角为46°，因此打印平台最大倾角m不应大于32.5°。不考虑其他措施，打印平台可以正常工作的太阳高度角范围为：57.5°~69.1°。图2-2万向底座构造由于太阳的高度角与方位角随着季节、时间、时刻处于不断的变化之中，追光的有效与否会直接影响到以太阳光作为热源的3D打印制造部品的准确性。因而本课题研究了太阳高度角方位角变化对打印过程的影响，进而指导追光过程。以合页转动方向为X方向，太阳方位角变化的影响方向为Y方向，高度角变化影响方向为Y方向，太阳高度角与方位角变化对XY方向上单位时间内光斑位移的影响，如式(2-1)、式(2-2)所示：ytansRA(2-1)式中y——单位时间Y方向上光斑位移（mm/min）;R——透镜焦距（mm）;sA——单位时间太阳方位角变化（°/min）。121sinsin90-tansinsinsinsSSShRxmhhh(2-2)式中x——单位时间X方向上光斑的位移（mm/min）;控制器电动油缸蓄电池万向轮合页XY

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-15-材制造平面移动的指令代码进行XY方向修正，使用经过修正的指令代码进行增材制造，并控制单次增材制造时间不超过10分钟。2.2.2传动与控制分系统构造与功能传动与控制系统包括水平步进电机组、垂直步进电机组、丝杠、导轨、传动皮带、底板、控制主板等部分组成，如图2-3所示。传动与控制系统在整个增材制造系统的主要功能是根据所接收的指令代码，实现光斑在水平面内和底板在竖直面内准确的自动化运动。图2-3传动与控制系统构造控制主板通过数据连接线与装有控制软件的终端相联，接收终端发送的经过XY方向修正后的控制代码。主板根据接收的控制代码发送脉冲信号，驱动相应的步进电机组运动。垂直步进电机组由两个OK42STH60-2304A步进电机组成，步进电机步距角为1.8°，最大静力矩为0.89N·m。两个步进电机分别位于底板两侧，根据接收来自控制主板驱动模块输出的脉冲电流驱动传动皮带，带动丝杠转动，进而带动底板实现可控的上下移动。水平步进电机组电机的数量与型号与垂直步进电机组相同，两步进电机共同置于系统顶部同侧。水平步进电机组接收控制主板的脉冲信号驱动皮带，皮带通过导轨带动打印头实现平面内各方向的独立运动，打印头上安装菲涅尔透镜聚光装置，聚光装置聚焦的太阳光斑跟随打印头运动，进而实现光斑在平面内任意路径的自动化运动。在此基础上，该系统可对单层内任意路径进行扫描，实现增材制造系统分层制造的功能；通过底板的上下可控运动精确控制层高，为增材制造系统逐层制造的功能的实现奠定基矗垂直步进电机控制主板传动皮带传动皮带水平步进电机组丝杠


本文编号：3092228