一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3D打印头的制作方法

本发明涉及一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3d打印头，属于空间增材制造领域。

背景技术：

打印喷头是3d打印机的核心部件，打印喷头附近的微环境控制是决定打印产品性能和质量的关键因素。目前市场上的3d打印成形设备，基本没有能耗限制，为了达到聚乳酸、聚醚醚酮等材料的软化点，喷头加热块使用了大功率的电加热棒，将打印喷头从常温极速升温到210℃、350℃等温度。而且大多数聚乳酸打印机舱体为开放状态，喷头挤出材料到达基板时，通过风扇加强空气对流，实现降温成型。这种打印头加热方式应用于航天器舱内空间3d打印时存在以下问题：

1)加热块是主要耗能部件。地面3d打印过程中，通过大功率的加热棒，可以使打印喷头迅速升温，并持续加热保持喷头温度高于材料熔融温度，这种始终加热的方式需要持续耗费较高的能源。地面3d打印通常使用220v民用电压，或者360v工业电压。而在空间航天器所能给予的电源通常为24～33v，电流控制也相对较低，可提供的功率有限，无法长时间提供高功率负载。

2)空气对流是散热的主要渠道。市面上打印聚乳酸等材料的熔融沉积成形3d打印设备，大多数为开放设备，即打印头和基板均处于室温空气对流环境下，即使局部温度过高，通过风扇加强空气对流，可以降低喷头附近其他部件的温度。有些打印头上还设置了2个以上的风扇，通过多个风流通道把多余热量带走。航天器内部空间有限，即使在密封舱内增加空气对流，空气流速和流通范围也很有限，多余的热量通过风扇带到了舱内其他载荷上，加重了整体环境热负载，显然是不合理的。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3d打印头，能够高效利用能源，减少废热辐射，既满足加热块和打印喷头的高温需求，也满足打印头周边其他附件的低温环境需求，建立有效的隔热保护。

本发明的技术方案是：

一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3d打印头，包括：加热块、压盖管、纤维导管、喉管、散热管、喷头、气凝胶包裹层、丝材导向管接头、聚四氟乙烯管、聚酰亚胺隔热垫；

所述加热块开有第一通路和第二通路，所述第一通路的轴线和第二通路的轴线共面且相交；所述第一通路轴线和第二通路轴线之间的夹角θ的取值范围为15°～60°；

所述第一通路为阶梯通孔，所述第一通路的一端连接纤维导管的一端，所述纤维导管的另一端固定连接压盖管的一端，所述压盖管的另一端伸出所述加热块；所述压盖管通过螺纹连接加热块使所述纤维导管在加热块中的位置固定；所述第一通路的另一端与喷头固定连接；

所述第二通路为阶梯孔，所述第二通路的一端与所述第一通路连通；喉管、散热管、丝材导向管接头依次连接，所述喉管的端部与所述第二通路的另一端固定连接；

所述喷头的端部开有锥形槽，所述锥形槽和所述第一通路内壁围成的空腔作为熔池；聚四氟乙烯管从所述丝材导向管接头、散热管插入所述喉管，所述聚四氟乙烯管用于将热塑性材料导入所述熔池内；连续纤维增强体依次通过所述压盖管、纤维导管流入所述熔池内；

所述第一通路轴线和第二通路轴线的交点作为熔聚点，所述熔聚点位于所述熔池内；所述熔聚点位置满足下述比例关系：

d1：d2：d3＝1：1：0.45，

其中，d1为所述熔聚点到加热块表面与所述压盖管轴线垂直相交的交点的距离，d2为所述熔聚点到加热块表面与所述喉管轴线垂直相交的交点的距离，d3为所述熔聚点到加热块表面与所述喷头轴线垂直相交的交点的距离；

所述压盖管的内径大于所述纤维导管的内径，所述第二通路的内径大于所述纤维导管的内径；所述喷头与所述第一通路连接一端的内径大于所述第二通路的内径；

所述加热块的外壁磷酸阳极化处理；所述加热块的外壁包裹有用于隔热的气凝胶包裹层，所述气凝胶包裹层的材料为预氧丝增强sio2气凝胶，所述气凝胶包裹层的厚度的取值范围为1～5mm；

所述加热块安装压盖管的端面上固定有聚酰亚胺隔热垫，所述聚酰亚胺隔热垫开有中心通孔，所述压盖管穿过所述聚酰亚胺隔热垫中心通孔插入所述加热块；所述加热块内设置有用于给所述加热块加热的加热棒和多个温度传感器。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)目前地面3d打印机加热块通常不考虑隔热问题，偶有打印机选用了隔热毛毡、玻璃纤维增强气凝胶作为箱体保温材料；毛毡是航天器禁限用材料，玻璃纤维增强气凝胶附着力低，两者在微重力、振动等环境下易产生碎屑、掉粉，形成多余物，影响其他电子器件。本发明采用超细预氧丝纤维作为增强体，利用溶胶-凝胶和超临界co2干燥工艺，通过精确的结构和性能控制，自制出满足航天环境需求的高性能预氧丝纤维增强二氧化硅气凝胶，密度范围为0.15～0.4g/cm³，室温导热系数范围为0.012～0.018w/(m·k)，具有极佳的弯折性能以及抗震性能，在航天器发射的高频振动下，不会掉粉、不产生碎屑，且密度轻、导热率高，能起到较好的隔热效果且能经受较大的载荷冲击；

2)传统多通道3d打印往往会出现材料反涌、喷头堵塞等情况，主要原因是热塑性材料的黏度大、流动性差，材料升温速度、送丝速度、打印成型速度等不匹配导致。本发明在双通道的设计上进行了流体与温度场的耦合仿真，精确调控了第一通道和第二通道的夹角，以及两条通道中心汇合点到加热块各端面的距离，并优化了喷头上方的锥形槽，使得双通道流向喷头的阻力远小于反方向的阻力，即使在空间零重力环境下双通道的材料沿着喷头顺畅流出，避免了逆流堵塞通道的情况；

3)传统加热块通常为矩形，不能完全包裹加热棒，存在加热棒能量泄露的特点，且通常只有一个温度传感器，利用这个温度进行加热闭环控制，造成打印喷头实际的温度偏差在±10℃左右，对于热塑性材料的流动性影响较大。本发明设计的加热块为凸台与平面相结合的形式，既保证全面包裹加热棒，又采用了双温度传感器进行迭代的闭环控制。两个温度传感器分别测量主动加热温度和被动传导温度，可以精确的测算出双通道交汇区打印喷头上方的温度，通过加热闭环控制，可以保证在整个打印过程中，喷头上方熔池区域温度偏差在±3℃，进而保障了热塑性材料流动性的稳定，使得打印更为顺畅。

4)本发明设计并制造了具有喇叭口的丝材导向管接头，使得含有第二通道丝材的聚四氟乙烯管可以在较大范围内振动，将应力集中在一个渐变的曲面上，降低了聚四氟乙烯管在严酷的力学振动环境中疲劳断裂的风险。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明结构轴向剖视图；

图3a为本发明加热块剖视图；

图3b为本发明加热块侧视图；

图4为本发明丝材导向管接头剖面图；

图5为本发明气凝胶包裹层剪裁形状及粘贴顺序图；

图6为本发明聚酰亚胺隔热垫侧视图；

图7为本发明压盖管和纤维导管连接示意图。

具体实施方式

本发明一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3d打印头，综合考虑打印喷头的高温需求和周围其他附件的低温运行需求，优化热量传递途径，在保证打印喷头内部温度的同时，减少向外散失的废热，通过微环境控制隔热方法，使得热量集中在有效区域，减少打印机内部其他附件的局部热控，降低整体打印机的用电能耗。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，为本发明结构示意图，加热块1外面的气凝胶包裹层7和聚酰亚胺隔热垫10是实现降低能耗，减少散热的主要部分。如图2所示，本发明一种在轨使用的基于气凝胶包裹层的双通路3d打印头，包括：加热块1、压盖管2、纤维导管3、喉管4、散热管5、喷头6、气凝胶包裹层7、丝材导向管接头8、聚四氟乙烯管9、聚酰亚胺隔热垫10。

加热块1的材料为铝合金，所述加热块1的内部设置有加热棒11、温度传感器12和温度传感器13，所述温度传感器12和所述温度传感器13具体采用ntc热敏电阻实现。所述加热块1开有第一通路和第二通路，所述第一通路的轴线和第二通路的轴线共面且相交；所述第一通路轴线和第二通路轴线之间的夹角θ的取值范围为15°～60°，具体的本发明实施例中第一通路轴线和第二通路轴线之间的夹角θ取值为45°。所述第一通路为阶梯通孔，所述第一通路的一端连接纤维导管3的一端，所述纤维导管3的另一端固定连接压盖管2的一端，所述压盖管2的另一端伸出所述加热块1；所述压盖管2通过螺纹连接加热块1使所述纤维导管3在加热块中的位置固定；所述第一通路的另一端与喷头6固定连接。加热棒11通过外接电源为加热块1加热，使得第二通路中的热塑性材料熔融，本发明实施例中采用的热塑性材料具体为聚乳酸(polylacticacid，pla)，也可以选用聚醚醚酮、聚醚酮酮等热塑性材料。温度传感器12用于测试加热棒附近加热块实际达到的温度，作为主动加热温度，温度传感器13用于测试加热块靠近双通道交汇点附近的温度，作为被动传热温度。通过温度传感器12和温度传感器13的温度，结合加热块的导热系数，可以精确的测算出双通道交汇点处的温度，可以保证加热闭环控制在比较精准的范围。

所述第二通路为阶梯孔，所述第二通路的一端与所述第一通路连通，如图3(a)所示。喉管4、散热管5、丝材导向管接头8依次连接，所述喉管4的端部与所述第二通路的另一端固定连接。

所述喷头6的端部开有锥形槽，所述锥形槽和所述第一通路内壁围成的空腔作为熔池；熔池中心处于双通路的中心汇合范围内，本发明实施例中凹陷熔池中心处于双通路的中心汇合点下方1.2mm，即喷头6上端面和第一通路轴线的交点位于第一通路的轴线和第二通路的轴线交点上方1.2mm处。聚四氟乙烯管9从所述丝材导向管接头8、散热管5插入所述喉管4，所述聚四氟乙烯管9用于将热塑性材料导入所述熔池内；连续纤维增强体依次通过所述压盖管2、纤维导管3流入所述熔池内，本发明实施例中连续纤维增强体具体采用碳纤维，牌号为t300-1k，也可以选用芳纶纤维。连续纤维增强体与热塑性丝材经加热块熔池区域形成复合材料。所述散热管5周向开有散热齿。所述聚四氟乙烯管9为空心塑料管。

所述第一通路轴线和第二通路轴线的交点作为熔聚点，所述熔聚点位于所述熔池内；所述熔聚点位置满足下述比例关系：

d1：d2：d3＝1：1：0.45，

其中，d1为所述熔聚点到加热块1表面与所述压盖管2轴线垂直相交的交点的距离，d2为所述熔聚点到加热块1表面与所述喉管4轴线垂直相交的交点的距离，d3为所述熔聚点到加热块1表面与所述喷头6轴线垂直相交的交点的距离。

压盖管2为开有外螺纹的不锈钢圆柱结构，所述压盖管2穿过聚酰亚胺隔热垫10插入加热块1中，所述压盖管2下端开有t型槽，用于固定纤维导管3，所述纤维导管3为钛合金细管；本发明实施例中纤维导管3的内径为0.8mm，恰能满足第一通道的纤维通过且没有冗余空间，防止第二通道的聚乳酸反流，纤维导管3的上端为t型槽，与压盖管2下端t型槽尺寸匹配形成压接固定，如图7所示。所述压盖管2的内径大于所述纤维导管3的内径，所述第二通路的内径大于所述纤维导管3的内径；所述喷头6与所述第一通路连接一端的内径大于所述第二通路的内径。

所述加热块1的外壁磷酸阳极化处理；所述加热块1的外壁包裹有用于隔热的气凝胶包裹层7，为避免不同区域间的漏热，在需要开孔区域进行了3m胶带的处理，保证气凝胶包裹层7不漏热。气凝胶包裹层7内侧与加热块1粘接，外侧与压盖管2、喉管4、喷头6相接触，以保证丝材在进入加热块1前处于较低的温度。所述气凝胶包裹层7的材料为预氧丝增强sio2气凝胶，预氧丝增强sio2气凝胶的密度取值范围为0.15～0.4g/cm³，室温导热系数的取值范围为0.012～0.018w/(m·k)，预氧丝增强sio2气凝胶具有极佳的弯折性能以及抗震性能。所述气凝胶包裹层7厚度的取值范围为1～5mm，本发明实施例中气凝胶包裹层7的厚度为5mm，预氧丝增强sio2气凝胶胶片的裁减形状如图5所示，需要开孔的位置留有搭接余量，按照a-g的顺序依次粘贴在加热块1上。

所述加热块1安装压盖管2的端面上固定有聚酰亚胺隔热垫10，所述聚酰亚胺隔热垫10开有中心通孔，所述压盖管2穿过所述聚酰亚胺隔热垫10中心通孔插入所述加热块1；聚酰亚胺隔热垫10通过四个螺钉与加热块1连接，如图6所示。

所述加热块1内设置有用于给所述加热块1加热的加热棒11和多个温度传感器，所述加热块1在第一通道喷头端和第二通道喉管端之间有凸起，本发明实施例中突起高度5mm，所述加热块1上开有3个通孔，其中加热块1凸起区域开有两个通孔，分别用于安装加热棒11和温度传感器12，在平台区靠近第一通道和第二通道中心汇合点量处开有通孔，用于安装温度传感器13，如图3(b)所示。

所述丝材导向管接头8的自由端为喇叭口，使得含有第二通道丝材的聚四氟乙烯管可以在较大范围内振动，且不会折断。所述喇叭口锥角α的取值范围为30～90°本发明实施例中丝材导向管接头8的喇叭口锥角α＝60度，如图4所示。

本发明双通路3d打印头装配过程，具体如下：

步骤1：气凝胶包裹层7的剪裁及开孔

准备3～5mm厚的预氧丝气凝胶片材，根据加热块不同方向的截面形状，裁剪适合大小的气凝胶片，如图3b和图5所示，要求拼接缝尽可能少，需要开孔的位置留有搭接余量。

步骤2：加热块1表面包覆气凝胶7

将加热块1进行磷酸阳极化表面处理，以增加胶结强度。将裁减好的预氧丝气凝胶片一侧粘贴3m隔热胶带，按照图5顺序进行包覆，并通过结构胶进行固封，形成如图2所示的气凝胶包裹层7。包覆固封过程要避免孔隙、褶皱，使其平整铺贴，需要开孔区域确保3m隔热胶带大于气凝胶区域。气凝胶包裹层7固定后，采用3m胶带对整体气凝胶区域进行顺时针缠绕，确保转角、拼接处的隔热胶带连续。

步骤3：加热块1第一通道安装

如图6所示，加工适合大小的聚酰亚胺隔热垫10，将纤维导管3从第一通道上方置入加热块1中，将压盖管2穿过聚酰亚胺隔热垫10的中心孔，螺接在加热块上，螺钉面及缝隙用gd414胶固封。在第一通道另一端，将喷头6螺接在加热块1上，喷头外缘与加热块1表面的气凝胶用3m胶带粘接，保证无缝隙。

步骤4：加热块1第二通道安装

按照图2所示，测量第一通道和第二通道交汇点到丝材导向管接头8的距离，并在聚四氟乙烯管9上作出标记。将标记位置的聚四氟乙烯管9穿过丝材导向管接头8并固定其位置。在加热块1的第二通道上依次安装喉管4、散热管5，相互螺接到位，将聚四氟乙烯管9和丝材导向管接头8的组合体插入散热管5，直至达到喉管深处。第二通道连接到位后将连接处用gd414胶固封。在加热块1安装固定第一通道和第二通道后用3m胶带对整体加热块进行包覆，达到图1组件形式。

实施例

通过计算仿真和试验测量获得打印头的功耗和工作时不同部件的温度变化，评估不同方向部件的隔热需求。实验表明：打印头的加热块1是所有部件中最主要的产热源，打印过程始终保持高温，且加热块1外表面积较大，是主要的辐射源，因此在打印头表面建立隔热屏障是减少散热的源头。比较了保温棉、玻璃纤维增强sio2气凝胶和预氧丝增强sio2气凝胶的隔热效果，测试了1mm、3mm、5mm三种规格的气凝胶与3m胶带的组合隔热性能，最终选定针对本台空间3d打印机的功耗，在加热块1外侧粘贴5mm厚的预氧丝增强sio2气凝胶隔热效果较佳，通过5层3m胶带包覆固定。此外，打印头还沿着送丝管方向进行导热，若导管温度过高，丝材将在进入打印头之前融化而导致无法正常打印，为保证聚四氟乙烯管9温度处于60℃以下，在聚四氟乙烯管9外部增加一个环形肋片散热管5，在压盖管2与加热块1接触区域增加了一个2mm厚的聚酰亚胺隔热垫10，以保障压盖管2温度正常。

使用本发明方法前，自研3d打印机开机5min后，打印头外部温度上升到90℃。随着打印喷头的持续加热和材料熔融挤出，打印头外部温度达到了110℃左右，并持续整个打印过程。打印头支架温度也达到了50℃以上，散热管受到打印头周围空气的热传导，温度达到了48℃。各个电机温度超过40℃，电路板控制器温度达到42℃。自研3d打印机壁板温度最高可达39℃，比环境温度高出19℃。这些器件表面温度过高，远超过设计要求和负载能力，并且能耗过高。采用本发明后，自研3d打印机同样开机5min后，打印头外部温度只上升到48℃，随着打印喷头的持续加热和材料熔融挤出，打印头外部温度最高达到52℃，并持续整个打印过程。打印头支架温度在37℃左右，散热管温度保持在40℃范围内，电机、电路板、电源侧板均控制在40℃以下。自研空间3d打印机上盖板、下侧板温度均在22℃左右，仅比室内温度高2℃。综合以上，本发明方法对于3d打印机的局部温度控制，获得了良好性能，打印机工作时其表面温度对舱内环境温度影响非常小，并且节约能耗，实现了有限能源的高效利用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。