本發(fā)明屬于3D打印技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種適用于固體推進(jìn)劑增材制造的具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)和利用具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)增材制造固體推進(jìn)劑的方法。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的熱塑性固體推進(jìn)劑成型制造主要是采用螺壓成型工藝，隨著成型尺寸的增加，設(shè)備系統(tǒng)也越來(lái)越龐大，成型所需要的壓力成倍提高，成型制造系統(tǒng)的能源消耗增加，制造難度顯著增大，綜合制造成本大幅度提高。更重要的是推進(jìn)劑的成型質(zhì)量控制的難度也加大，制造過程發(fā)生燃爆事故的危險(xiǎn)性提高。對(duì)于高固體含量較高的熱塑性高能固體推進(jìn)劑，物料的分散均勻性和力學(xué)性能的穩(wěn)定性是決定使用性能的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。采用螺壓擠出工藝制備固體推進(jìn)劑時(shí)，隨著填料比例的提高成型壓力會(huì)大幅度提高，有時(shí)高達(dá)30MPa以上，成型需要的溫度也會(huì)隨固體填料的增加而提高。要求螺桿擠出設(shè)備的整體強(qiáng)度和部件的強(qiáng)度非常高，設(shè)備體積也相應(yīng)增大。固體填料的引入還會(huì)帶來(lái)物料塑化程度不夠、物料分散不均勻、塊體材料的密實(shí)性不夠等問題。目前，解決上述問題的主要方法主要采用更大尺寸、強(qiáng)度更高的成型設(shè)備，不僅增加制造成本，生產(chǎn)效率也比較低。此外，采用傳統(tǒng)的螺壓工藝制備熱塑性的固體推進(jìn)劑，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一些形狀復(fù)雜和多材質(zhì)復(fù)合的變?nèi)妓偻七M(jìn)劑藥柱。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種可以采用較小的設(shè)備制造大尺寸和復(fù)雜形狀的熱塑性固體推進(jìn)劑的具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)和利用具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)增材制造固體推進(jìn)劑的方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)，包括圓筒狀打印平臺(tái)、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和打印噴頭，其中三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別為第一步進(jìn)電機(jī)M₁、第二步進(jìn)電機(jī)M₂和第三步進(jìn)電機(jī)M₃；

所述圓筒狀打印平臺(tái)繞圓筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該圓筒軸與水平面平行，圓筒狀打印平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)M₁的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)；打印噴頭位于圓筒外部的上部，并在第二步進(jìn)電機(jī)M₂和第三步進(jìn)電機(jī)M₃的控制下運(yùn)動(dòng)，該打印噴頭在第二步進(jìn)電機(jī)M₂的控制下沿旋轉(zhuǎn)軸水平運(yùn)動(dòng)，并在第三步進(jìn)電機(jī)M₃的控制下沿豎直方向運(yùn)動(dòng)；所述圓筒狀打印平臺(tái)的使用面為圓筒外表面。

所述打印噴頭的數(shù)量至少為1個(gè)，噴口豎直向下。

一種基于上述適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)的打印方法，包括以下步驟：

步驟1、將待打印的固體推進(jìn)劑藥柱模型作展開變換，得到新的三維立體模型；所述的中固體推進(jìn)劑藥柱模型的截面包括內(nèi)燃管狀、內(nèi)燃星形、管狀、車輪形、樹枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔和橢圓形。

所述的將待打印的固體推進(jìn)劑藥柱模型作展開變換具體為：

將固體推進(jìn)劑藥柱模型置于XYZ空間直角坐標(biāo)系第一象限中，固體推進(jìn)劑藥柱模型的軸與X軸平行，設(shè)該坐標(biāo)系為O₁；對(duì)于固體推進(jìn)劑藥柱模型的任一垂直于X軸的截面，其對(duì)稱中心的坐標(biāo)為(x，y，z),截面上任一一點(diǎn)坐標(biāo)為(x₁，y₁，z₁)，該對(duì)稱中心到該截面上任意一點(diǎn)的距離為r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)。若y₁＜y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為若y₁≥y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為

步驟2、對(duì)上述新的三維立體模型的三視圖方向進(jìn)行定義；具體為：

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與X軸平行且指向X軸正向的方向定義為新的三維立體模型的正視方向，

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與Z軸平行且指向Z軸正向的方向定義為新的三維立體模型的俯視方向；

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與Y軸平行且指向Y軸正向的方向定義為新的三維立體模型的側(cè)視方向。

步驟3、對(duì)上述定義了三視圖方向的新的三維立體模型放置到切片軟件中進(jìn)行切片，并生成G代碼；所述的對(duì)定義了三視圖方向的新的三維立體模型放置到切片軟件中的放置方法為：

設(shè)切片軟件的坐標(biāo)系為O₂，新的三維立體模型的正視方向與坐標(biāo)系O₂中的X軸方向平行且指向X軸的正方向，新的三維立體模型的府視方向與坐標(biāo)系O₂中的Z軸方向平行且指向Z軸的負(fù)方向，新的三維立體模型的側(cè)視方向與坐標(biāo)系O₂中的Y軸方向平行且指向Y軸的負(fù)方向。

步驟4、將G代碼輸入至適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)中，利用打印機(jī)進(jìn)行打印。所述的3D打印機(jī)采用熱塑性的固體推進(jìn)劑原料進(jìn)行打印成型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：1)本發(fā)明采用較小的設(shè)備制造大尺寸的固體推進(jìn)劑，成型設(shè)備系統(tǒng)的重量和體系顯著減小；2)利用具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)增材制造固體推進(jìn)劑的方法可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)藥柱或多材質(zhì)變?nèi)妓偻七M(jìn)劑的一次成型；3)可遠(yuǎn)程控制成型具有過程安全、成型效率高的優(yōu)點(diǎn)。4)成型藥柱在軸向和徑向上的力學(xué)性能較高。5)用普通3D打印機(jī)控制系統(tǒng)可以控制該系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為圓筒成型平臺(tái)。

圖2為從打印設(shè)備的圓筒成型平臺(tái)軸向看的視圖。

圖3為由打印設(shè)備的圓筒成型平臺(tái)的徑向看的視圖。

圖4為橫截面為管狀藥柱模型，其中圖(a)為成型藥柱模型的橫截面，圖(b)為從藥柱模型徑向看的視圖。

圖5為橫截面為管狀藥柱模型展開圖，其中圖(a)展開變換后新的三維立體模型的俯視圖，圖(b)展開變換后新的三維立體模型的正視圖。

圖6為普通平面平臺(tái)成型藥柱與圓筒外表面成型平臺(tái)打印藥柱堆積方式對(duì)比，圖(a)為普通平面平臺(tái)成型藥柱的堆積示方式示意圖，圖(b)為圓筒外表面成型平臺(tái)打印藥柱堆積方式示意圖。

具體實(shí)施方法

本發(fā)明的一種適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)，包括圓筒狀打印平臺(tái)1、三個(gè)步進(jìn)電機(jī)和打印噴頭2，其中三個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別為第一步進(jìn)電機(jī)M₁、第二步進(jìn)電機(jī)M₂和第三步進(jìn)電機(jī)M₃；

所述圓筒狀打印平臺(tái)繞圓筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，該圓筒軸與水平面平行，圓筒狀打印平臺(tái)在步進(jìn)電機(jī)M₁的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)；打印噴頭位于圓筒外部的上部，并在第二步進(jìn)電機(jī)M₂和第三步進(jìn)電機(jī)M₃的控制下運(yùn)動(dòng)，該打印噴頭在第二步進(jìn)電機(jī)M₂的控制下沿旋轉(zhuǎn)軸水平運(yùn)動(dòng)，并在第三步進(jìn)電機(jī)M₃的控制下沿豎直方向運(yùn)動(dòng)；所述圓筒狀打印平臺(tái)的使用面為圓筒外表面。所述打印噴頭的數(shù)量至少為1個(gè)，噴口豎直向下。

一種基于上述適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)的打印方法，包括以下步驟：

步驟1、將待打印的固體推進(jìn)劑藥柱模型作展開變換，得到新的三維立體模型；具體為：

將固體推進(jìn)劑藥柱模型置于XYZ空間直角坐標(biāo)系第一象限中，固體推進(jìn)劑藥柱模型的軸與X軸平行，設(shè)該坐標(biāo)系為O₁；對(duì)于固體推進(jìn)劑藥柱模型的任一垂直于X軸的截面，其對(duì)稱中心的坐標(biāo)為(x，y，z),截面上任一一點(diǎn)坐標(biāo)為(x₁，y₁，z₁)，該對(duì)稱中心到該截面上任意一點(diǎn)的距離為r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)；若y₁＜y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為若y₁≥y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為

所述固體推進(jìn)劑藥柱模型的截面包括內(nèi)燃管狀、內(nèi)燃星形、管狀、車輪形、樹枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔和橢圓形。

步驟2、對(duì)上述新的三維立體模型的三視圖方向進(jìn)行定義；具體為：

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與X軸平行且指向X軸正向的方向定義為新的三維立體模型的正視方向；

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與Z軸平行且指向Z軸正向的方向定義為新的三維立體模型的俯視方向；

將新的三維立體模型在坐標(biāo)系O₁中與Y軸平行且指向Y軸正向的方向定義為新的三維立體模型的側(cè)視方向。

步驟3、對(duì)上述定義了三視圖方向的新的三維立體模型放置到切片軟件中進(jìn)行切片，并生成G代碼；放置到切片軟件中的放置方法為：

設(shè)切片軟件的坐標(biāo)系為O₂，新的三維立體模型的正視方向與坐標(biāo)系O₂中的X軸方向平行且指向X軸的正方向，新的三維立體模型的府視方向與坐標(biāo)系O₂中的Z軸方向平行且指向Z軸的負(fù)方向，新的三維立體模型的側(cè)視方向與坐標(biāo)系O₂中的Y軸方向平行且指向Y軸的負(fù)方向。

步驟4、將G代碼輸入至適用于固體推進(jìn)劑增材制造的3D打印機(jī)中，利用打印機(jī)進(jìn)行打印。所述3D打印機(jī)采用熱塑性的固體推進(jìn)劑原料進(jìn)行打印成型。

本發(fā)明采用較小的設(shè)備制造大尺寸的固體推進(jìn)劑，成型設(shè)備系統(tǒng)的重量和體系顯著減小。

下面進(jìn)行更詳細(xì)的描述。

一種適用于固體推進(jìn)劑增材制造的具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)，該具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)有3個(gè)步進(jìn)電機(jī)M₁、M₂、M₃；該具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)的打印平臺(tái)為圓筒的外表面，圓筒可繞圓筒軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)M₁控制，建議M₁與圓筒之間的傳動(dòng)方式為齒輪傳動(dòng)；該具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)的物料擠出噴頭處于圓筒外部的上部，噴頭在圓筒垂直于水平面的直徑方向上并且噴口朝下，噴頭運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樨Q直方向和圓筒的軸向，分別由步進(jìn)電機(jī)M₂和M₃控制。必要時(shí)打印噴頭可以有兩個(gè)或者兩個(gè)以上，用于打印不同的原材料。該具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)的結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖1、圖2、圖3。利用具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)增材制造的固體推進(jìn)劑軸向和徑向上的力學(xué)性能將有大幅度提高。

一種利用上所述的具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)增材制造固體推進(jìn)劑的方法包括以下步驟：

步驟1、運(yùn)用建模軟件設(shè)計(jì)出固體推進(jìn)劑藥柱模型。如3Dmax、CAD、solidwork等軟件。所述的固體推進(jìn)劑藥柱模型有內(nèi)燃管狀、內(nèi)燃星形、管狀、車輪形、樹枝形、管套型、狗骨型、多槽形孔、橢圓形這類有內(nèi)孔的固體推進(jìn)劑藥柱。

步驟2、將步驟1設(shè)計(jì)的固體推進(jìn)劑藥柱模型作展開變換，固體推進(jìn)劑藥柱模型的展開變換定義如下:將固體推進(jìn)劑藥柱模型置于XYZ空間直角坐標(biāo)系第一象限中，固體推進(jìn)劑藥柱模型的軸與X軸平行，設(shè)該坐標(biāo)系為O₁。對(duì)于固體推進(jìn)劑藥柱模型的任一截面，其對(duì)稱中心的坐標(biāo)為(x，y，z),截面上任一一點(diǎn)坐標(biāo)為(x₁，y₁，z₁)，該對(duì)稱中心到該截面上任意一點(diǎn)的距離為r＝√((y-y₁)²+(z-z₁)²)。若y₁＜y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為若y₁≥y，則展開變換后該點(diǎn)坐標(biāo)為通過此展開變換得到新的三維立體模型。對(duì)于管狀的推進(jìn)劑藥柱如圖4，經(jīng)過展開變換后如圖5。

步驟3、定義步驟2得到的新的三維立體模型的三視圖方向:將新的三維立體模型在O₁中與X軸平行且指向X軸正向的方向定義為新的三維立體模型的正視方向，將新的三維立體模型在O₁中與Z軸平行且指向Z軸正向的方向定義為新的三維立體模型的府視方向，將新的三維立體模型在O₁中與Y軸平行且指向Y軸正向的方向定義為新的三維立體模型的側(cè)視方向。

步驟4、將步驟3定義了三視圖方向的新的三維立體模型置于Printrun，Cura，Repetier-Host等上位機(jī)軟件中。設(shè)上位機(jī)軟件的坐標(biāo)系為O₂，在O₂中放置著的新的三維立體模型的正視方向要與O₂中的X軸方向平行且指向X軸的正方向，新的三維立體模型的府視方向要與O₂中的Z軸方向平行且指向Z軸的負(fù)方向，新的三維立體模型的側(cè)視方向要與O₂中的Y軸方向平行且指向Y軸的負(fù)方向。然后進(jìn)行切片，生成G代碼，建議所述的新的三維立體模型在切片軟件配置中填充軌跡為直線，填充密度為1，以便得到密實(shí)的具有良好力學(xué)性能的推進(jìn)劑藥柱，成型推進(jìn)劑藥柱示意簡(jiǎn)圖如圖6，對(duì)于圖6(a)由于沿著軸向?qū)訉佣逊e，藥柱沿軸向力學(xué)性能較差，而對(duì)于圖6(b)由于沿軸向力學(xué)性能要好于A。

步驟5、將步驟4得到的G代碼傳輸?shù)綑?quán)利1所述的具有旋轉(zhuǎn)軸的3D打印機(jī)，采用熱塑性的固體推進(jìn)劑原料進(jìn)行打印成型。M₁接收Y方向運(yùn)動(dòng)的G代碼，M₂接收Z(yǔ)方向運(yùn)動(dòng)的G代碼，M₃接收來(lái)自X方向運(yùn)動(dòng)的G代碼。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的推進(jìn)劑藥柱，必要時(shí)需要打印水溶性支撐材料，以便于藥柱成型并在藥柱成型之后便于去除支撐材料。

下面對(duì)固體推進(jìn)劑藥柱模型的展開變換舉實(shí)例進(jìn)行說明。

實(shí)施例1

如圖4所示對(duì)于管狀推進(jìn)劑藥柱半徑為r₂，內(nèi)孔徑為r₁，截面上任意一點(diǎn)到該截面對(duì)稱中心的距離為r₃(r₁≤r₃≤r₂)，長(zhǎng)為L(zhǎng)。

由藥柱橫截面半徑為r₃處周長(zhǎng)為2πr₃＝L₁，可得dL₁/dr₃＝2π，即可將圓柱體藥柱進(jìn)行展開變換，如圖5。

藥柱展開變換之后為橫截面為等腰梯形的直棱柱其中等腰梯形腰與底邊夾角θ＝90°-arctantπ，上底為2πr₁,下底為2πr₂,高為r₂-r₁。