一种改善月壤3D打印蓄能块致密性的技术方法与流程

本发明涉及粘结材料技术领域，具体为一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法。

背景技术：

随着人类对与月球的不断探索，仅靠地表携带能源不足以满足在月面长时间活动消耗，利用太阳光聚光发电是一种可行方案，直接以月壤为原材料、利用3d打印技术制造聚光发电过程所需蓄能块成为一种有效且方便的手段。

月壤材质成分组成为橄榄石、斜长石、辉石、钛铁矿以及玻璃组成，目前已有的3d打印技术中，选择性激光烧结技术(sls)用于打印此类非金属材料最为合适。

月壤分选性较差，粒径分布在30μm到1mm之间。其颗粒形态多样，以棱角状粒型为主，这导致月壤颗粒之间滑行困难，铺粉后容易在内部形成缝隙影响致密度。针对月壤的成分组成以及蓄能块要求，需要对传统的sls技术进行改进，通过添加额外的粘结剂，提高打印成品致密度与导热性能。同时考虑到地外作业无法携带太多能源用于月壤3d打印，需要降低烧结温度节约能源。

在此前提下，提出了本专利，一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供了一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法，解决了传统月壤使用常规激光烧结打印时，所得到打印件内部孔隙率高，导热性较差，同时在月表进行打印时，能量有限，需考虑节约能源的问题。

为实现增加熔融状态下粘结剂与月壤非金属颗粒间的润湿性，并使烧结过程中的传质方式从扩散传质转变为粘性流动，使其能更好渗透进间隙间完成粘结作用，同时提高熔化速度，使烧结难度降低、节约能源目的，本发明提供如下技术方案：一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法，包括以下步骤：

s1、根据已确定的月壤颗粒直径，经计算得出粘合剂颗粒所需尺寸，使其与月壤粉末混合后可以尽量填充粉末间空隙，减少选择性激光烧结后蓄能块内部空穴裂缝，提高致密性；

s2、其中粘结剂由氧化硼与金属合金机械混合而成，前者可以增强粘结剂流动性与润湿性，并使烧结过程中的传质方式从扩散传质转变为粘性流动，降低致密化所需能量和烧结温度，使结难度降低、节约能源的同时让熔融后可以均匀地浸湿月壤颗粒提高致密性，后者可以明显地提高蓄能块导热性；

s3、将月壤颗粒粉末与粘合剂按适当比例混合均匀后，使用选择性激光烧结技术，依次经过预热、成型、冷凝等步骤打印制造蓄能块。

优选的，步骤s1所述的月壤颗粒粉末，其特征在于颗粒尺寸应为10μm～1mm。

优选的，步骤s1所述的粘合剂颗粒尺寸，其特征在于颗粒尺寸应根据月壤粒径分布来确定，以达到填补月壤颗粒间隙的作用，颗粒尺寸应为月壤颗粒平均尺寸五分之一。

优选的，步骤s2所述粘结剂成分，其特征在于由以下重量份原料组成，三氧化二硼：45份～50份，α-氧化铝：10份～15份，al：10份～12份，mg：10份～15份，石墨：15份～18份。

优选的，步骤s2所述的月壤颗粒与粘结剂按适当比例混合，其特征在于按每100g月壤添加5g粘结剂，并通过机械搅拌混合均匀。

优选的，步骤s3中所述选择性激光烧结技术的主要工艺参数如下：激光功率为150w～300w，扫描速度80～120mm/s，扫描间距0.2mm，铺粉层厚0.15mm，预热温度280℃，冷却时间1.5～2.5h。

与现有技术相比，本发明提供了一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法，具备以下有益效果：

该改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法，通过添加硼化物与金属合金来改善月壤3d打印成品致密度，根据月壤颗粒平均粒径选择合适的粘结剂颗粒尺寸，从而实现粘结剂较小的粒径填补月壤颗粒间缝隙，降低打印孔隙率，提高致密性；粘合剂中三氧化二硼的存在使激光烧结过程中传质方式有扩散传质转变为粘性流动，颗粒间的缝隙能被粘结剂充分润湿，同样提高了致密度，并且三氧化二硼降低了打印烧结温度，使烧结难度降低，节约能源。同时还可以添加合金成分增加蓄能块导热系数，改善导热性能。

附图说明

图1为本发明流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

请参阅图1，本实施公开了一种改善月壤3d打印蓄能块致密性的技术方法：其主要步骤包括目标蓄能块3d建模切片、原料筛选研磨、粘结剂添加与合金粉末混合、铺粉、目标区域激光烧结、冷却成型。

其中，本专利涉及的粘结剂配方中，还添加了部分铝等金属粉末，用于改善蓄能块整体导热性，并且在1000℃～1200℃时，液相金属熔体与粘结剂中的三氧化二硼成分发生硼化反应，形成硼-金属多元复合体系。

本发明所打印月壤蓄能块相比直接使用选择性激光烧结技术3d打印月壤蓄能块，所得产物无论是在导热性能、自身致密度、机械性能、尺寸大小等方面都有显著改善。

具体的，本实施例以cas-1模拟月壤为原料来打印10mm尺寸的立方体。模拟月壤cas-1化学组成与apollo14号登月点月壤基本相似。根据模拟月壤粒径分布，计算出氧化硼粘结剂颗粒尺寸，并添加铝合金。然后通过机械搅拌的方式将模拟月壤与添加物混合，并加热到280℃进行预热。预热好的模拟月壤通过铺粉装置在打印平台上铺设厚度为0.15mm的粉层。激光发射器在打印软件的控制下，对目标区域进行照射加热，由于添加剂中氧化硼的存在，烧结温度降低，模拟月壤颗粒间的添加剂能快速熔融并将周围模拟月壤颗粒粘合结块。该层目标区域打印完成后进行下一层铺粉激光烧结。打印完成后，将打印所得立方体进行自然冷却2h，再从粉床中取出。以上所述仅为本发明方法的较佳实施例，并不用于限制本发明方法。在实际实施过程中，月壤自身成分、粒径分布都可能发生改变或被替换。但以上形式的改变都不会从根本上改变本发明方法即：使用氧化硼与合金混合所得到的添加粘结剂来改善打印蓄能块性能，并且粘结剂尺寸根据月壤粒径分布有所调整以便更好地填补月壤间缝隙，提高致密度。故而，它们都被认为是处于本发明权利要求书定义的范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

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