一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法与流程

本发明涉及月壤原位打印领域，具体涉及一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法。

背景技术：

1、伴随着科学技术的进步，人类不再满足于在太空中的短暂停留，各国陆续开展建立太空科研站的研究。月球作为距离地球最近的天体，同时其具有丰富的矿物及能源资源，因此月球成为开展相关研究的首选对象。然而，现阶段地月运输成本高昂、运输周期长，仅利用携带的地球资源难以完成月球科研站的建设，必须对月球原位资源加以利用，才能使深空探索任务具备可行性。

2、月面原位资源利用是以月球的原位资源为原材料，不借助辅料，通过人工转化技术，实现原材料的转化利用。月面原位资源利用可以降低对地球资源的依赖，减少地月运输成本，提升相关任务的可持续性。其中，月面原位建造是月面原位资源利用中的重要研究领域，能够为我国月球科研站的建设奠定基础。目前，国内外所提出的月面原位建造的技术主要包括选择性微波烧结、选择性激光烧结/熔融技术、立体光刻、粘接剂喷射成型、选择性太阳能烧结技术、混凝土轮廓成型等技术。

3、月球上太阳能资源丰富,已有资料表明，月球上的太阳能密度可以达到1.353kw/m2，同时，月球上大气稀薄，没有云或雾遮挡太阳，可以获取稳定的太阳能。综上，直接利用太阳聚光熔融烧结月壤，开发相应的集成化、模块化的月壤原位打印装置，能够实现月球资源的原位利用及建造，为可持续的深空探测任务提供技术支撑。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法，主要包括机架、光学聚光系统、月壤处理系统以及成型打印系统，光学聚光系统、月壤处理系统以及成型打印系统在机架上，光学聚光系统将高密度太阳光汇聚到成型打印系统，月壤处理系统将处理后的月壤传输到成型打印系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本申请第一方面公开一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，包括打印喷头和光学聚光系统；所述光学聚光系统包括可转动的旋转平台、反射式聚光器、光接收器和光纤；所述旋转平台安装有可转动的反射式聚光器；所述光接收器设置在所述反射式聚光器的焦点位置；所述光接收器与所述打印喷头通过所述光纤连接。

4、在一些实施例中，所述旋转平台设置在机架上；所述旋转平台与所述机架转动连接；所述旋转平台转动连接有连杆；所述连杆的另一端转动连接有光学支架；所述反射式聚光器和光接收器均与所述光学支架固定连接；所述光学支架固定安装有光学传感器。

5、在一些实施例中，所述连杆通过铰链ⅰ转动连接有所述光学支架；所述旋转平台通过铰链ⅱ转动连接有所述连杆。

6、在一些实施例中，所述光学支架和连杆的连接点位于所述光学支架的末端。

7、在一些实施例中，还包括月壤处理系统；所述月壤处理系统包括筛粉机筒壁和筛网；所述筛网与所述筛粉机筒壁固定安装；所述筛粉机筒壁在所述筛网的上端设置有废料口；所述筛粉机筒壁在所述筛网的下端设置有出料口。

8、在一些实施例中，所述筛网与所述筛粉机筒壁的倾斜角为30°。

9、在一些实施例中，还包括成型打印系统；所述成型打印系统包括立柱、x向导轨，y向导轨、z向导轨、打印基板；所述立柱与所述机架连接；所述x向导轨与所述立柱固定连接；所述y向导轨与所述x向导轨滑动连接；所述打印喷头与所述y向导轨滑动连接；所述机架在所述打印喷头的底部设置有通孔；所述机架在所述通孔的下端安装有所述z向导轨；所述打印基板与所述z向导轨滑动连接。

10、在一些实施例中，包括辊筒导轨、辊筒滑块和辊筒；所述辊筒导轨与所述立柱固定连接；所述辊筒导轨滑动连接有所述辊筒滑块；所述辊筒与所述辊筒滑块转动连接。

11、在一些实施例中，所述打印基板包括侧板和底板；所述侧板与所述底板通过铰链ⅲ连接。

12、本申请第二方面公开一种包括如第一方面所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

13、对月壤原料进行过筛处理，并将过筛的月壤粉末输送到打印基板，并对月壤粉末铺平、压实；

14、借助光学传感器与伺服电机控制光学聚光系统定向追日，利用反射式聚光器对太阳光进行汇聚，使用光纤将太阳光传导到打印喷头；

15、通过三轴驱动机构调节打印喷头与打印基板的相对位置，使得光斑聚焦于月壤粉末上表面，调节光斑的能量与尺寸；

16、设置打印工艺参数与运动路径，三轴驱动机构驱动打印喷头平面运动，完成一层月壤粉末的打印制造，打印基板向下移动一层月壤粉末的高度；

17、重复上述步骤直至完成样品的打印制造，取出样品。

18、本发明的有益效果：

19、本发明所使用材料月壤占比为100％，可实现月球资源的原位利用，解决了地月运输成本及运输周期的问题，提高了月球资源的利用率。直接利用太阳光对月壤熔融烧结，无能量形式转换，避免能量转换中的能量损耗，能量利用率高。自动追光实时调控反射式聚光器的角度，可以良好的适应太阳高度角的变化，可以减少环境变化对于打印制造的影响。导光装置采用柔性的光纤构件，结构简单，灵活方便，可实现远距离传输，有利于减少光强损失。反射式聚光器不存在色散，聚焦光斑小，相对于折射式聚光器，具有较小的尺寸与质量，稳定性较高的特点，可适应月面振动及月面的极端环境。

技术特征：

1.一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，包括打印喷头和光学聚光系统；所述光学聚光系统包括可转动的旋转平台、反射式聚光器、光接收器和光纤；所述旋转平台安装有可转动的反射式聚光器；所述光接收器设置在所述反射式聚光器的焦点位置；所述光接收器与所述打印喷头通过所述光纤连接。

2.根据权利要求1所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，所述旋转平台设置在机架上；所述旋转平台与所述机架转动连接；所述旋转平台转动连接有连杆；所述连杆的另一端转动连接有光学支架；所述反射式聚光器和光接收器均与所述光学支架固定连接；所述光学支架固定安装有光学传感器。

3.根据权利要求2所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，所述连杆通过铰链ⅰ转动连接有所述光学支架；所述旋转平台通过铰链ⅱ转动连接有所述连杆。

4.根据权利要求2所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，所述光学支架和连杆的连接点位于所述光学支架的末端。

5.根据权利要求2所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，还包括月壤处理系统；所述月壤处理系统包括筛粉机筒壁和筛网；所述筛网与所述筛粉机筒壁固定安装；所述筛粉机筒壁在所述筛网的上端设置有废料口；所述筛粉机筒壁在所述筛网的下端设置有出料口。

6.根据权利要求5所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，所述筛网与所述筛粉机筒壁的倾斜角为30°。

7.根据权利要求1所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置，其特征在于，还包括成型打印系统；所述成型打印系统包括立柱、x向导轨，y向导轨、z向导轨、打印基板；所述立柱与所述机架连接；所述x向导轨与所述立柱固定连接；所述y向导轨与所述x向导轨滑动连接；所述打印喷头与所述y向导轨滑动连接；所述机架在所述打印喷头的底部设置有通孔；所述机架在所述通孔的下端安装有所述z向导轨；所述打印基板与所述z向导轨滑动连接。

8.根据权利要求7所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法，其特征在于，包括辊筒导轨、辊筒滑块和辊筒；所述辊筒导轨与所述立柱固定连接；所述辊筒导轨滑动连接有所述辊筒滑块；所述辊筒与所述辊筒滑块转动连接。

9.根据权利要求7所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法，其特征在于，所述打印基板包括侧板和底板；所述侧板与所述底板通过铰链ⅲ连接。

10.一种如权利要求1-9任意一项所述的基于反射式聚光的月壤熔融成型装置的打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于反射式聚光的月壤熔融成型装置及方法，属于月壤原位打印领域，包括机架、光学聚光系统、月壤处理系统以及成型打印系统，光学聚光系统、月壤处理系统以及成型打印系统在机架上，光学聚光系统将高密度太阳光汇聚到成型打印系统，月壤处理系统将处理后的月壤传输到成型打印系统。与现有技术相比，本申请所使用材料月壤占比为100％，可实现月球资源的原位利用。直接利用太阳光对月壤熔融烧结，避免能量转换中的能量损耗，能量利用率高。自动追光实时调控反射式聚光器的角度，可适应太阳高度角的变化。反射式聚光器具有无色散、聚焦光斑小、稳定性高、尺寸与质量较小的特点，可适应月面振动及月面极端环境。

技术研发人员：贾琇,杨洪伦,张哲,张天柱,吴枫,谢标,李澳
受保护的技术使用者：深空探测实验室（天都实验室）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15