一种固体推进剂增材制造系统及内表面旋转成型方法与流程

本发明公开了一种适用于固体推进剂增材制造的具有旋转轴的3D打印机和利用具有旋转轴的3D打印机增材制造固体推进剂的方法

背景技术：

传统的热塑性固体推进剂成型制造主要是采用螺压成型工艺，随着成型尺寸的增加，设备系统也越来越庞大，成型所需要的压力成倍提高，成型制造系统的能源消耗增加，制造难度显著增大，综合制造成本大幅度提高。更重要的是推进剂的成型质量控制的难度也加大，制造过程发生燃爆事故的危险性提高。对于高固体含量较高的热塑性高能固体推进剂，物料的分散均匀性和力学性能的稳定性是决定使用性能的关键质量指标。采用螺压挤出工艺制备固体推进剂时，随着填料比例的提高成型压力会大幅度提高，有时高达30MPa以上，成型需要的温度也会随固体填料的增加而提高。要求螺杆挤出设备的整体强度和部件的强度非常高，设备体积也相应增大。固体填料的引入还会带来物料塑化程度不够、物料分散不均匀、块体材料的密实性不够等问题。目前，解决上述问题的主要方法主要采用更大尺寸、强度更高的成型设备，不仅增加制造成本，生产效率也比较低。此外，采用传统的螺压工艺制备热塑性的固体推进剂，无法实现一些形状复杂和多材质复合的变燃速推进剂药柱。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可以采用较小的设备制造大尺寸和复杂形状的热塑性固体推进剂的具有旋转轴的3D打印机和利用具有旋转轴的3D打印机增材制造固体推进剂的方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于固体推进剂增材制造的3D打印机，包括圆筒状打印平台、三个步进电机和打印喷头，其中三个步进电机分别为第一步进电机M₁、第二步进电机M₂和第三步进电机M₃；

所述圆筒状打印平台绕圆筒轴转动，该圆筒轴与水平面平行，圆筒状打印平台在步进电机M₁的控制下转动；打印喷头位于圆筒内部，并在第二步进电机M₂和第三步进电机M₃的控制下运动，该打印喷头在第二步进电机M₂的控制下沿旋转轴水平运动，并在第三步进电机M₃的控制下沿竖直方向运动；所述圆筒状打印平台的使用面为圆筒内表面。

所述打印喷头的数量至少为1个，喷口竖直向下。

一种基于上述适用于固体推进剂增材制造的3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

步骤1、将待打印的固体推进剂药柱模型作展开变换，得到新的三维立体模型；所述的中固体推进剂药柱模型的截面包括内燃管状、内燃星形、管状、车轮形、树枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔和椭圆形。

所述的将待打印的固体推进剂药柱模型作展开变换具体为：

将固体推进剂药柱模型置于XYZ空间直角坐标系第一象限中，固体推进剂药柱模型的轴与X轴平行，设该坐标系为O₁；对于固体推进剂药柱模型的任一垂直于X轴的截面，其对称中心的坐标为(x，y，z),截面上任一一点坐标为(x₁，y₁，z₁)，该对称中心到该截面上任意一点的距离为r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)。若y₁＜y，则展开变换后该点坐标为若y₁≥y，则展开变换后该点坐标为

步骤2、对上述新的三维立体模型的三视图方向进行定义；具体为：

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与X轴平行且指向X轴正向的方向定义为新的三维立体模型的正视方向，

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与Z轴平行且指向Z轴正向的方向定义为新的三维立体模型的俯视方向；

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与Y轴平行且指向Y轴正向的方向定义为新的三维立体模型的侧视方向。

步骤3、对上述定义了三视图方向的新的三维立体模型放置到切片软件中进行切片，并生成G代码；所述的对定义了三视图方向的新的三维立体模型放置到切片软件中的放置方法为：

设切片软件的坐标系为O₂，新的三维立体模型的正视方向与坐标系O₂中的X轴方向平行且指向X轴的正方向，新的三维立体模型的府视方向与坐标系O₂中的Z轴方向平行且指向Z轴的正方向，新的三维立体模型的侧视方向与坐标系O₂中的Y轴方向平行且指向Y轴的正方向。

步骤4、将G代码输入至适用于固体推进剂增材制造的3D打印机中，利用打印机进行打印。所述的3D打印机采用热塑性的固体推进剂原料进行打印成型。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：1)本发明采用较小的设备制造大尺寸的固体推进剂，成型设备系统的重量和体系显著减小；2)本发明利用具有旋转轴的3D打印机增材制造固体推进剂的方法可以实现复杂结构药柱或多材质变燃速推进剂的一次成型；3)本发明的打印机可远程控制成型，具有过程安全、成型效率高的优点；4)成型药柱在轴向和径向上的力学性能较高；5)在具有旋转轴的3D打印机圆筒内表面成型，当圆筒旋转时，由于离心作用，有利于打印层附着于打印平台；6)用普通3D打印机控制系统可以控制该系统。

附图说明

图1为圆筒成型平台示意图。

图2为从打印设备的圆筒成型平台轴向看的视图。

图3为由打印设备的圆筒成型平台的径向看的视图。

图4为横截面为管状药柱模型，其中图(a)为成型药柱模型的横截面，图(b)为从药柱模型径向看的视图。

图5为横截面为管状药柱模型展开图，其中图(a)展开变换后新的三维立体模型的俯视图，图(b)展开变换后新的三维立体模型的正视图。

图6为普通平面平台成型药柱与圆筒内表面成型平台打印药柱堆积方式对比，图(a)为普通平面平台成型药柱的堆积示方式示意图，图(b)为圆筒内表面成型平台打印药柱堆积方式示意图。

具体实施方法

本发明的一种适用于固体推进剂增材制造的3D打印机，包括圆筒状打印平台1、三个步进电机和打印喷头2，其中三个步进电机分别为第一步进电机M₁、第二步进电机M₂和第三步进电机M₃；

所述圆筒状打印平台绕圆筒轴转动，该圆筒轴与水平面平行，圆筒状打印平台在步进电机M₁的控制下转动；打印喷头位于圆筒内部，并在第二步进电机M₂和第三步进电机M₃的控制下运动，该打印喷头在第二步进电机M₂的控制下沿旋转轴水平运动，并在第三步进电机M₃的控制下沿竖直方向运动；所述圆筒状打印平台的使用面为圆筒内表面。

所述打印喷头的数量至少为1个，喷口竖直向下。

一种基于上述适用于固体推进剂增材制造的3D打印机的打印方法，包括以下步骤：

步骤1、将待打印的固体推进剂药柱模型作展开变换，得到新的三维立体模型；具体为：

将固体推进剂药柱模型置于XYZ空间直角坐标系第一象限中，固体推进剂药柱模型的轴与X轴平行，设该坐标系为O₁；对于固体推进剂药柱模型的任一垂直于X轴的截面，其对称中心的坐标为(x，y，z),截面上任一一点坐标为(x₁，y₁，z₁)，该对称中心到该截面上任意一点的距离为r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)；若y₁≥y，则展开变换后该点坐标为若y₁≥y，则展开变换后该点坐标为

固体推进剂药柱模型的截面包括内燃管状、内燃星形、管状、车轮形、树枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔和椭圆形。

步骤2、对上述新的三维立体模型的三视图方向进行定义；具体为：

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与X轴平行且指向X轴正向的方向定义为新的三维立体模型的正视方向，

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与Z轴平行且指向Z轴正向的方向定义为新的三维立体模型的俯视方向；

将新的三维立体模型在坐标系O₁中与Y轴平行且指向Y轴正向的方向定义为新的三维立体模型的侧视方向。

步骤3、对上述定义了三视图方向的新的三维立体模型放置到切片软件中进行切片，并生成G代码；放置到切片软件中的放置方法为：

设切片软件的坐标系为O₂，新的三维立体模型的正视方向与坐标系O₂中的X轴方向平行且指向X轴的正方向，新的三维立体模型的府视方向与坐标系O₂中的Z轴方向平行且指向Z轴的正方向，新的三维立体模型的侧视方向与坐标系O₂中的Y轴方向平行且指向Y轴的正方向。

步骤4、将G代码输入至适用于固体推进剂增材制造的3D打印机中，利用打印机进行打印。所述3D打印机采用热塑性的固体推进剂原料进行打印成型。

下面进行更详细的描述。

一种适用于固体推进剂增材制造的具有旋转轴的3D打印机，该具有旋转轴的3D打印机有3个步进电机M₁、M₂、M₃；该具有旋转轴的3D打印机的打印平台为圆筒的内表面，圆筒可绕圆筒轴转动，由步进电机M₁控制，建议M₁与圆筒之间的传动方式为齿轮传动；该具有旋转轴的3D打印机的物料挤出喷头处于圆筒内部，喷头在圆筒垂直于水平面的直径方向上并且喷口朝下，喷头运动方向为竖直方向和圆筒的轴向，分别由步进电机M₂和M₃控制。必要时打印喷头可以有两个或者两个以上，用于打印不同的原材料。该具有旋转轴的3D打印机的结构示意简图如图1、图2、图3。

一种利用上述的具有旋转轴的3D打印机增材制造固体推进剂的方法包括以下步骤：

步骤1、运用建模软件设计出固体推进剂药柱模型。如3Dmax、CAD、solidwork等软件。所述的固体推进剂药柱模型有内燃管状、内燃星形、管状、车轮形、树枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔、椭圆形这类有内孔的固体推进剂药柱。

步骤2、将步骤1设计的固体推进剂药柱模型作展开变换，固体推进剂药柱模型的展开变换定义如下:将固体推进剂药柱模型置于XYZ空间直角坐标系第一象限中，固体推进剂药柱模型的轴与X轴平行，设该坐标系为O₁。对于固体推进剂药柱模型的任一截面，其对称中心的坐标为(x，y，z),截面上任一一点坐标为(x₁，y₁，z₁)，该对称中心到该截面上任意一点的距离为r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)。若y₁≥y，则展开变换后该点坐标为若y₁≥y，则展开变换后该点坐标为通过此展开变换得到新的三维立体模型。对于管状的推进剂药柱如图4，经过展开变换后如图5。

步骤3、定义步骤2得到的新的三维立体模型的三视图方向:将新的三维立体模型在O₁中与X轴平行且指向X轴正向的方向定义为新的三维立体模型的正视方向，将新的三维立体模型在O₁中与Z轴平行且指向Z轴正向的方向定义为新的三维立体模型的府视方向，将新的三维立体模型在O₁中与Y轴平行且指向Y轴正向的方向定义为新的三维立体模型的侧视方向。

步骤4、将步骤3定义了三视图方向的新的三维立体模型置于Printrun，Cura，Repetier-Host等上位机软件中。设上位机软件的坐标系为O₂，在O₂中放置着的新的三维立体模型的正视方向要与O₂中的X轴方向平行且指向X轴的正方向，新的三维立体模型的府视方向要与O₂中的Z轴方向平行且指向Z轴的正方向，新的三维立体模型的侧视方向要与O₂中的Y轴方向平行且指向Y轴的正方向。然后进行切片，生成G代码，建议所述的新的三维立体模型在切片软件配置中填充轨迹为直线，填充密度为1，以便得到密实的具有良好力学性能的推进剂药柱，成型推进剂药柱示意简图如图6，对于图6A由于沿着轴向层层堆积，药柱沿轴向力学性能较差，而对于图6B由于沿轴向力学性能要好于A。

步骤5、将步骤4得到的G代码传输到权利1所述的具有旋转轴的3D打印机，采用热塑性的固体推进剂原料进行打印成型。M₁接收Y方向运动的G代码，M₂接收Z方向运动的G代码，M₃接收来自X方向运动的G代码。对于结构复杂的推进剂药柱，必要时需要打印水溶性支撑材料，以便于药柱成型并在药柱成型之后便于去除支撑材料。

利用具有旋转轴的3D打印机增材制造的固体推进剂轴向和径向上的力学性能将有大幅度提高。

下面对固体推进剂药柱模型的展开变换举实例进行说明。

实施例1

如图4所示对于管状推进剂药柱半径为r₂，内孔径为r₁，截面上任意一点到该截面对称中心的距离为r₃(r₁≤r₃≤r₂)，长为L。

由药柱横截面半径为r₃处周长为2πr₃＝L₁，可得dL₁/dr₃＝2π，即可将圆柱体药柱进行展开变换，如图5。

药柱展开变换之后为横截面为等腰梯形的直棱柱其中等腰梯形腰与底边夹角θ＝90°-arctantπ，上底为2πr₁,下底为2πr₂,高为r₂-r₁。

本发明采用较小的设备制造大尺寸的固体推进剂，成型设备系统的重量和体系显著减小。