一种基于增材制造的空间碎片再利用方法与流程

本发明属于空间碎片减缓领域，具体涉及一种基于增材制造的空间碎片再利用方法。

背景技术：

空间碎片是指在地球轨道上已经失效的一切人造物体，是人类空间活动的产物，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、执行航天任务过程中的抛弃物、以及空间物体之间的碰撞产生的碎块等。目前，处理空间碎片的主要方式为空间碎片的离轨或清除，典型的空间碎片离轨或清除方法有激光清除，即采用激光照射碎片表面进行烧灼升华，或为碎片提供一定速度增量来降低近地点高度以缩减轨道寿命；电动力绳离轨，即利用导电绳切割地球磁场产生的电动力使空间碎片脱离运行轨道，最终进行大气层而烧毁；捕捉方式，即通过飞网、飞爪或机械臂等装置捕获空间碎片。然而，只有进行空间碎片的有效利用，才能进一步提高空间碎片处理的效率。

增材制造技术是利用离散和堆积的本质原理，在计算机辅助下，对实体模型进行切片处理，把三维实体的制造转换成二维层面的堆积和沿成形方向上的不断叠加，实现三维实体的制造。近年来，地面增材制造技术飞速发展，制造出的零部件在航天领域已经实现了一定的工程应用。在国际空间站上也实现了非金属材料的在轨增材制造技术，主要通过运载器将ABS塑料丝等原材料和增材制造设备搭载送入国际空间站进行试验。但是，目前尚未出现专门针对金属材质的空间碎片进行增材制造再利用方面的研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题为基于增材制造技术，实现空间碎片金属材料的再利用。

本发明的技术解决方案为：

一种基于增材制造的空间碎片再利用方法，其包括如下步骤：

1)空间碎片材料检测：利用能量色散X射线荧光光谱仪或激光诱导击穿光谱技术对空间碎片材料进行检测，筛选出可利用的金属材料；

2)空间碎片材料分解：根据空间碎片再利用的目的，将筛选出的空间碎片金属材料分解为粉末、丝带或液态形式；其中，采用气雾化法或水雾化法对空间碎片金属材料进行粉末化；采用单丝拉拔法、切削法、熔抽法或集束拉拔法对空间碎片金属材料进行丝带化；采用坩埚高温熔融的方法对空间碎片金属材料进行液化；

3)空间碎片材料增材制造：针对空间碎片粉末化的金属材料，采用激光熔化沉积或电子束选区熔化沉积的方式实现增材制造；针对空间碎片丝带化的金属材料，采用激光熔化沉积或电子束熔丝沉积技术实现增材制造；针对空间碎片液态化的金属材料，采用金属液滴喷射技术或金属熔融涂覆技术实现增材制造。

进一步地，所述步骤2)中的气雾化法为真空气雾化法。

进一步地，所述步骤2)中的空间碎片金属材料丝带化方法也可替代未将具有较好延展性的空间碎片经过高温加热，做成金属锭子，通过滚压形成金属片，再通过切割形成金属丝带。

进一步地，所述步骤3)中的金属液滴喷射技术为采用高压保护性气体将熔融的液态金属雾化成细小弥散的颗粒，再将其高速喷射并沉积到经过前处理的基体表面，熔滴在经过附着、铺展、融合、固结及累加的过程后，形成完整的沉积坯件。

进一步地，所述步骤3)中的金属熔融涂覆技术为利用增压气体推动金属熔液流出涂覆头，并同时在基板形成浅层熔池，使得涂覆头流出的熔液与熔池结合沉积。

本发明的有益效果在于：

(1)将空间碎片作为研究对象，提出将增材制造技术应用到空间碎片减缓领域，实现空间碎片金属材料的再利用。

(2)采用激光诱导击穿光谱技术或能量色散X射线荧光光谱仪进行空间碎片材料检测，在空间真空环境下具有适应能力好、几乎无材料损伤等优点。

(3)利用电子束熔丝增材制造技术、均匀液滴喷射制造技术、金属熔融涂覆技术等空间碎片材料增材制造技术，在空间中具有适应能力好、可实现性等优点。

附图说明

图1为本发明空间碎片再利用流程图；

图2为本发明电子束熔丝沉积技术增材制造示意图；

图3为本发明均匀液滴喷射技术增材制造示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明的基于增材制造的空间碎片再利用方法包括空间碎片材料检测、空间碎片材料分解及增材制造三个步骤，具体如下：

步骤一，空间碎片材料检测

本发明优化选择能量色散X射线荧光光谱仪或激光诱导击穿光谱技术进行材料检测。

目前国内外使用的材料检测技术有扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线荧光光谱仪、直读光谱仪及激光诱导击穿光谱技术等。

由于空间碎片主要是来自火箭末级和失效卫星等航天器，大部分是金属材料，因此本发明中空间碎片材料检测的对象为金属材料。另外，由于空间碎片主要用作回收利用，因此在检测中对样本的损伤尽量小，同时由于碎片尺寸不一致，尽量要求检测设备对检测物品的尺寸无要求，另外由于主要用于空间真空微重力环境下，该检测技术必须具有空间环境适应性。在满足以上要求的基础上，由于航天运输系统资源的限制，检测设备应尽量小型化、轻质化，通过对比分析可知：能量色散X射线荧光光谱仪和激光诱导击穿光谱技术可优选为本发明中的空间碎片材料检测技术。

表1各种材料检测技术优缺点

步骤二，空间碎片材料分解

在空间碎片检测的基础上，基于增材制造的方式不同，采用将空间碎片材料分解为粉末状、丝带状或熔液状的形式。

目前地面上的金属增材制造的主要原材料为粉末、丝材等。其中金属粉末增材制造应用最广，增材制造所需金属粉末需满足粒径细小、粒度分布窄、球形度高、流动性好和松装密度高。目前，冶金工业普遍应用的粉末制备方法按照制备工艺主要可分为：还原法、电解法、机械粉碎法、雾化法等。但电解法和还原法仅限于单质金属粉末的生产，而对于合金粉末则不适用。机械粉碎法效率低，能耗大，多作为其他制粉法的补充手段，或用于混合不同性质的粉末。雾化法将熔融金属雾化成细小液滴，在冷却介质中凝固成粉末。雾化法主要用高压空气、氮气、氩气等(气体雾化)和高压水(水雾化)作喷射介质来击碎金属液体流。雾化法可以进行几乎所有可被熔化的金属的生产，尤其适宜生产合金粉末。因此粉末制备中主要采用雾化法，其中分为水雾化和气雾化。水雾化过程中由于与水的接触，会提高粉末的氧含量，限制了水雾化法在制备球形度高、氧含量低的金属粉末的应用。气雾化法所制备的粉末具有纯度高、氧含量低、粉末粒度可控、生产成本低以及球形度高等优点，但气雾化对金属熔体的破碎效率低于水雾化，增加了雾化粉末的制备成本。真空气雾化法可进一步提高粉末纯度、降低含氧量，且具有粉末粒度细的优点。对于空间碎片制粉，结合太空中的真空优势，可采用真空气雾化法。

在金属丝制备上，一般可采用单丝拉拔法、切削法、熔抽法和集束拉拔法等。单丝拉拔采用多模具连续拉拔，在外力作用下使金属丝强行通过模具，金属横截面积被压缩，并获得所要求的横截面形状和尺寸；切削法是利用机床与高速转动的刀具之间的摩擦使切屑从基体材料上分离出来的一种加工方法；熔抽法是将金属加热到熔融状态，再通过一定的装置将熔液喷出或甩出而形成金属细丝；集束拉拔法是将多根线材集成一束，外加包覆材料，进行拉拔，此方法可使拉拔的次数大大减少，同时也可防止单根细丝被拉断。

由于金属丝材相对于金属粉末而言，在微重力环境下更好控制定位，因此可重点考虑对金属丝的制备。若进一步考虑材料分解设备的简易化，在产品强度要求不高的情况下，可采用将具有较好延展性的空间碎片通过高温加热，进一步做成金属锭子，通过滚压形成金属片，再通过切割形成金属丝带。

在金属熔液制备上，主要将空间碎片投入坩埚中，采用电加热形式加热坩埚，使得空间碎片熔化。金属熔液的形式包括均匀液滴和熔融状，均匀液滴通过与坩埚相连的喷孔喷出形成，其驱动主要分为气压驱动式、压电驱动式、机械振动式、应力波式等；熔融状是通过与坩埚相连的涂覆头向基板输送。

步骤三，空间碎片材料增材制造

针对以金属粉末为原材料的增材制造方式，主要有激光熔化沉积、电子束选区熔化沉积等方式。激光熔化沉积是采用激光作为能量源，同步输送的金属粉末，按照CAD分层生成的图形文件，逐层沉积出三维金属零件实体的工艺过程。在成形尺寸上更加灵活，可以实现小至毫米量级，大至数米以上金属零件的成形。电子束选区熔化沉积指电子束在偏转线圈驱动下按预先规划的路径扫描，熔化预先铺放的金属粉末，完成一个层面的扫描后，如此反复进行，层层堆积，直到制造出需要的金属零件。

针对以金属丝带为原材料的增材制造方式，主要有激光熔化沉积、电子束熔丝沉积技术等。如图2所示，其中电子束熔丝沉积是采用电子束作为热源，使用聚焦电子束将原料(金属丝)在高真空环境中熔化，构建复杂对象。由于电子束金属丝增材制造方式在真空环境下具有独特的优势，真空环境的特性可以极大地简化电子束系统中的抽真空设备，简化装置，同时由于丝带在熔融后的可达性较粉末好，更适应微重力的环境，同时电子束的能量利用率远高于激光，因此，采用电子束熔丝增材制造方式更优。

针对原材料为金属熔液状态，如图3所示，其中均匀液滴增材制造是用高压保护性气体将熔融的液态金属雾化成细小弥散的颗粒，再以极高速度将其喷射并沉积到经过预热等前处理的基体表面，熔滴在经过附着、铺展、融合、固结、累加等过程后最终形成一个完整的沉积坯件；金属熔融涂覆增材制造是利用增压气体或其他方式来推动金属熔液流出涂覆头，同时在基板形成浅层熔池，使得涂覆头流出的熔液与熔池结合沉积。

除了上面所述的实施例，本发明还可以有其它实施例或以不同方式来实施。应当知道，本发明并不局限于说明书中所述或在附图中所示的详细情况，当这里只介绍一个实施例时，权利要求并不局限于该实施例。

本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。