CN111962059B - 利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3d打印***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***及方法，温度传感器、压力传感、距离传感器和流量计的数据信息均传输至电脑终端，电脑终端根据三维数据发出控制指令，通过三维移动平台控制芯片控制三维移动平台，使得基体或基板根据设计路径移动，同时根据温度传感器、压力传感和流量计的数据控制阀门和加热器，调整工艺参数。优点是在太空环境下，克服了熔化态3D打印技术在失重条件下难以有效结合的难题，该发明中粉末具极高的速度与准确的方向，气体经过拉瓦尔喷嘴加速产生的动能完全使金属粒子克服太空的失重环境。

Description

利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***及 方法

技术领域

本发明属于太空3D打印技术领域，涉及一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***及方法，利用计算机建模并逐层切片后，预热的喷涂粉末在收缩-扩张型拉瓦尔(Laval)喷嘴中加速获得动能后按照指定的路径沉积在基板上，实现金属构件制造或修复。粉末粒子在沉积过程中始终处于固态，完全区别于基于熔化-凝固的高能束态3D打印技术，所以称为固态3D打印技术。

背景技术

随着人类对太空的发展逐渐向远空发展，航天器的在轨时间以及在轨道高度的逐渐增加。目前，进行太空探索所需的设备和航天器日常维护所需的零件仍然需要通过货运飞船进行运输，这无疑极大地增加了探索太空的成本。并且某些设备(如飞船天线等)在装进货运飞船之前还需进行折叠，这不可避免的加大了航天员的操作难度。这些问题都是阻碍太空探索进一步发展的重大问题。航天器自身具备了制造能力可以大大加长航天器服役时间，提高航天员在轨工作的自由度，对太空探索向深空发展起到“加油站”作用。如何让航天器在太空中实现在轨制造和修复，是实现太空探索梦想的关键。

航天器上的零件和设备往往是个性化定制，而不是大批量制造，这正是3D打印技术的优势所在。高能束的金属3D打印技术是将产品进行计算机建模，再将模型进行截面切片，设计路径，然后采用逐层堆积的方式打印出实体。打印所需金属材料以粉末或丝材的方式送入，通过送粉或铺粉方式被加热，或者进入喷嘴之前在加热器中熔化成液态，在压力作用下被挤出喷嘴，层层沉积，冷却后形成固态实体。由于是增材制造，加工过程并不受零件结构的影响，材料的浪费少，精确度高。3D打印技术运用到太空金属构件在轨制造和修复中比较合适。

经过近些年的发展，地面3D打印技术日趋成熟。但太空环境与地面环境相比存在巨大差异，地面3D打印技术无法适应太空的特殊环境，要实现太空3D打印面临着设备、工艺、材料等各方面的巨大挑战，比如，高温熔化会造成合金元素烧损、组织粗大、热应力、裂纹，太空微重力环境使熔池行为难以控制等，要获得高性能构件或修复还存在很大困难。因此，探索新的金属3D打印技术，实现金属材料高质量在轨制造与修复对支撑太空装备的服役具有重要意义。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***及方法。

本发明解决的技术问题之一在于提供一种太空环境下新型金属3D打印实现方法，实现太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印。

本发明解决的技术问题之二在于提供一种太空环境下金属3D打印***，实现太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印。

本发明解决的技术问题之三在于消除高能束3D打印技术中存在的高温熔化-凝固导致的冶金问题与沉积效率慢的问题，实现金属粉末的快速、固态沉积。

技术方案

一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于包括基体或基板1、三维移动平台2、三维移动平台控制芯片3、圆弧形立柱4、喷枪5、送粉金属软管6、工作金属软管7、控制器8、送粉器10、储氢气瓶11和增压器12；基体或基板1与三维移动平台连接，三维移动平台2受控制芯片3的路径控制进行移动；三维移动平台2与圆弧形立柱4刚性固定，圆弧形立柱4连接喷枪5，喷枪5的进粉通道通过送粉金属软管6与送粉器10管路连接，管路上设有送粉控制阀10-7；喷枪5的工作气体进口通过增压器12与储氢气瓶11管路连接，管路上设有气体控制阀10-5；送粉器10通过增压器12与储氢气瓶11管路连接，管路上设有单向控制阀门10-2；所述喷枪5包括喷嘴5-1、微型温度传感器5-2、距离传感器5-3、温度传感器5-4、压力传感器5-5、三通管5-6、预气室5-8和内置加热器5-9；喷嘴5-1的尾部设有预气室5-8，预气室5-8的中部通口与三通管5-6连接，三通管5-6的一个通道与送粉器10连接，另一通道与喷嘴5-1的送粉通道连接；预气室5-8尾部为加热后氢气的入口通道，并与内置加热器5-9连接，内置加热器5-9与工作金属软管7连接；喷嘴5-1上设有微型温度传感器5-2，一侧的壳体上设有距离传感器5-3，预气室5-8的前部设有温度传感器5-4，后部设有压力传感器5-5；所述储氢气瓶包括气瓶外壳11-1、碳纤维缠绕层11-2、纯铝金属内胆11-3、压力传感器11-4、进气电磁阀11-6、进气手动阀11-7、出气手动阀11-9和出气电磁阀11-10；气瓶外壳11-1的两端分别设有进气口11-12和出气口11-11，内腔依次设有碳纤维缠绕层11-2和纯铝金属内胆11-3；进气口11-12的管路上设有压力传感器11-4、进气电磁阀11-6和进气手动阀11-7；出气口11-11的管路上设有出气手动阀11-9和出气电磁阀11-10；所有的温度传感器、压力传感、距离传感器和流量计的数据信息均传输至电脑终端，电脑终端根据三维数据发出控制指令，通过三维移动平台控制芯片控制三维移动平台，使得基体或基板根据设计路径移动，同时根据温度传感器、压力传感和流量计的数据控制阀门和加热器，调整工艺参数。

所有的阀门部位均设有流量计。

所述喷嘴5-1采用收缩扩张型拉瓦尔喷管，圆形截面喷嘴喉部直径在1～3mm；喷嘴出口直径在2.5～9mm，；喷嘴下游长度为100-280mm；粉末通道位于距离喷嘴喉部10～30mm处，与喷嘴中心轴线的夹角为25°～60°。

所述喷嘴5-1出口截面为矩形时，宽度为1～3mm，长度为5～20mm。

所述送粉器10包括储粉室10-3和送粉器外壳10-4；储粉室10-3的周向设有多个通孔，进气管路通过单向阀10-2与储氢气瓶11的出口连接，储粉室10-3与送粉器外壳10-4之间的出粉管路通过送粉控制阀10-7与送粉金属管6连接。

一种利用所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***进行打印的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用计算机软件对产品进行建模，然后再利用特定的软件对模型进行精细化的切片并设计打印路径；

步骤2：按照路径设计，喷枪固定不动，三维移动平台在设计好的路径下进行移动，实现金属粒子在其特定位置的沉积，从而进行冷喷涂打印出构件；

冷喷涂打印过程为：

打开阀门10-5将工作气体氢气通入喷枪的加热器中进行预热，预热温度是环境温度20℃～800℃，工作气体氢气的压力为0.5～5MPa；

打开单向阀门10-2，压力为0.5～5MPa，送粉气体将送粉器储粉室10-3中的粉末吹拂。

工作气体氢气经过管道输送到与枪体连接的喷嘴上游导流段，经过收缩段压缩，在喷嘴喉部达到音速，然后经过喷嘴下游扩张段产生超音速流动，直到喷嘴出口处产生一定的冲击波；

送粉气体将粉末送出送粉器，经过管道输送到喷嘴下游扩张段，通过喷嘴的送粉通道，粉末输入喷嘴下游方向与工作气体流动方向25°～60°的夹角与扩张段的工作气体混合，送粉气体的温度是环境温度20℃～600℃。

粉末粒子在工作气体中被加热，随着工作气体一起加速到600～1600m/s的高速状态，在飞出喷嘴出口后，碰撞在预置基体被三维数据锁定的位置并在此沉积下来，随着粉末的不断沉积，构件被制造出来。

所述粉末包括但不限于：纯金属、合金或金属陶瓷复合粉末的一种或多种的混合。

所述粉末的粒子尺寸为1～10μm。

有益效果

本发明提出的一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***及方法，温度传感器、压力传感、距离传感器和流量计的数据信息均传输至电脑终端，电脑终端根据三维数据发出控制指令，通过三维移动平台控制芯片控制三维移动平台，使得基体或基板根据设计路径移动，同时根据温度传感器、压力传感和流量计的数据控制阀门和加热器，调整工艺参数。

本发明特点与优点是：

在太空环境下，相比于基于熔化的3D打印技术，该发明克服了熔化态3D打印技术在失重条件下难以有效结合的难题，该发明中粉末具极高的速度与准确的方向，气体经过拉瓦尔喷嘴加速产生的动能完全使金属粒子克服太空的失重环境。

在太空环境下，相比于熔化态的3D打印技术，该发明降低了打印过程中元素的烧损，打印出的构件元素配比更加精准。

在太空环境下，相比于熔化态的3D打印技术，该发明所生产的构件或者修复的结构的晶粒更加细小，降低了因为组织粗大而产生的性能降低问题。

在太空环境下，相比于熔化态的3D打印技术，该发明由于金属粒子并未熔化，热输入更小，所生产的构件或者修复的结构内部热应力更小。

与熔化态3D打印技术的基体不动、喷嘴移动的控制方式相比，本发明采用喷嘴不动而基体移动的方式，灵活度更高。同时将三维移动平台与喷枪固定在一起消除了太空环境下高速气流粒子撞击基板产生的反作用力，提高了加工精度。

喷嘴采用直接下游送粉，可避免喉部磨损，防止喷嘴下游粘圬或堵塞；送粉口倾斜，与垂直送粉相比，可减少喷嘴下游磨损；根据气体动力学原理，喷嘴下游的气体压力急剧降低，下游送粉可避免使用高压送粉器，避免复杂管路设计，减少成本，降低送粉困难。喷嘴下游上方的小型加热器补偿了金属粉末在管道中传输的热量损失。

喷嘴形状简单，加工方便；如果下游太长，可分段加工喷嘴，再进行精确连接。

根据打印粉末材料性能不同，如材料强度或硬度，可采用不同的气体。

本发明工艺简单、生产成本低、可控性好。

附图说明

图1为用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***示意图，图中：1基体或基板，2三维移动平台，3三维移动平台控制芯片，4圆弧形立柱，5喷枪，6送粉金属软管，7工作金属软管，8控制柜，9控制柜电脑终端，10送粉器，11储氢气瓶，12增压器。

图2是喷枪结构示意图，图中：4-1圆弧形立柱，4-2圆弧形立柱圆弧段，4-3连接螺栓，5-1喷嘴，5-2微型温度传感器，5-3距离传感器，5-4温度传感器，5-5压力传感器，5-6三通管，5-8预气室，5-9内置加热器，6送粉金属软管，7喷枪工作气体接口。

图3是送粉器结构示意图：6送粉金属软管，10-1三通管，10-2单向阀，10-3储粉室，10-4送粉器外壳，10-5控制阀，10-6流量计，10-7控制阀，10-8流量计。

图4是储氢气瓶结构示意图，图中：11-1气瓶外壳，11-2碳纤维缠绕层，11-3纯铝金属内胆，11-4压力传感器，11-5流量计，11-6电磁阀，11-7手动阀，11-8流量计，11-9手动阀，11-10电磁阀，11-11出气口，11-12进气口。

图5为实施例5-20μm的Cu粉末的加速加行为

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

首先利用计算机软件对产品进行建模，然后再利用特定的软件对模型进行精细化的切片并设计打印路径。建模步骤可以在地面上进行，也可以在太空中由宇航员进行操作。

路径设计完成后进行粉末的精确控制固态沉积。本发明设计了一个三维移动平台，打印过程中，喷枪固定不动，三维移动平台在设计好的路径下进行移动，实现金属粒子在其特定位置的沉积，从而打印出构件。喷涂过程中，先将工作气体通入加热器中进行预热，随后经过管道输送到与枪体连接的喷嘴上游导流段，工作气体经过喷嘴上游收缩段压缩，在喷嘴喉部达到音速，然后经过喷嘴下游扩张段产生超音速流动，直到喷嘴出口处产生一定的冲击波。送粉气体将粉末带出送粉器，经过管道输送到喷嘴下游扩张段，与扩张段的工作气体混合。粉末在工作气体中被加热，随着工作气体一起加速到高速状态，在飞出喷嘴出口一定距离后，碰撞在预置基体的特定位置并在此沉积下来，随着粉末的不断沉积，构件被制造出来。

上述固态3D打印方法所需的工作气体是氢气。工作气体的预热温度是环境温度20℃～800℃，工作气体的压力为0.5～5MPa。送粉气体也是氢气；送粉气体的温度是环境温度20℃～600℃；送粉气体压力为0.5～5MPa。

上述固态3D打印方法，粉末输入喷嘴下游方向与工作气体流动方向(喷嘴中心轴线)夹角为25°～60°。

上述固态3D打印方法，打印粉末可以是纯金属、合金、金属陶瓷复合粉末等。也可选择不同材料进行混合后打印。

上述固态3D打印方法，打印粒子的尺寸在1～10μm；粒子速度在600～1600m/s之间。

上述固态3D打印方法，通过前期喷嘴设计与喷涂工艺参数的选择，沉积效率接近100％。

为了成功实现上述固态3D打印方法，本发明还设计了一套用于太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***。该***包括主控制柜、送粉器、气体加热器、喷枪、喷嘴、三维移动平台、储氢气瓶、增压器、连接附件以及各种检测装置。高压液态气瓶的出气口与储氢气瓶的进气口相连，工作时，液态气体通过储氢气瓶的进气口进入储氢气瓶，液态气体释压后变成气态。这些成为气态的气体，在增压器的作用下经过储氢气瓶的出气口进入送粉器中，在三通管的作用下，气体被分成两路，分别经过阀门、流量计输出：一路作为工作气体通过高压金属铜管进入喷枪中；一路成为送粉气体，进入送粉器的储粉室，吹拂粉末，并通过金属管将粉末送入喷枪上的送粉接口。工作气体进入喷枪后首先通过喷枪中内置的气体加热器加热，然后在预气室中再次被分为两路，一路进入喷枪中喷嘴的上游，在拉瓦尔(Laval)喷嘴中加速；一路与携带粉末的送粉气体混合，经过送粉管道进入喷嘴的下游。喷枪中的两路气体在喷嘴的下游某个位置混合，粉末被工作气体加热加速，飞出喷嘴，沉积在基板指定的位置上，逐层堆积，形成所需的零件或修复。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述控制柜包含针阀、电磁阀、流量计控制气体流动；通过压力表显示输入气体压力及喷枪枪体处气体压力；通过温度显示控制仪与热电偶测控喷枪枪体处气流温度；气体管路经过金属铜管连接；电源通过导线连接，采用开关按钮控制。控制柜中安装工控机电脑，电脑用来建模、设计打印路径以及控制三维移动平台的运动。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述喷枪主要由气体加热器、预气室、喷嘴组成，三者之间通过螺纹进行连接和固定。加热器固定在喷枪内部，其内部由弯制的加热管组成主气路电阻炉功率在～36kW(，加热管为不锈钢或耐热钢材料(如1Cr18Ni9Ti，25-20不锈钢)，喷嘴的下游上方的小型加热器材料以及主气路电阻炉功率与加热器材料相同，但是内部为条形加热管；预气室上方开有3个孔，分别接有三通管、温度传感器、压力传感，三通管连接送粉管，工作气体进入送粉管中加热粉末，温度传感器记录工作气体温度，压力传感器记录工作气体的压力；喷嘴采用简单收缩扩张型拉瓦尔喷管；喷嘴喉部直径在1～3mm；喷嘴出口直径在2.5～9mm，根据需要，出口也可以是一定截面的矩形，如宽度1～3mm，长度5～20mm；喷嘴下游长度在100-280mm之间；距离喷嘴喉部10～30mm处有1个送粉口，送粉口与气流方向(喷嘴中心轴线)夹角在25～60°之间；送粉口有一个接头与管路连接。此外在喷嘴的下游有一个温度传感器用来探测喷嘴处气体的温度，喷嘴外壁设有距离传感器，用以探测喷枪到基板的距离，从而便于在打印过程中及时调整距离。喷枪通过螺栓与圆弧形立柱相连，圆弧形立柱与三维移动平台刚性固定。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述送粉器为内外嵌套结构(类似于大桶套小桶，小桶为储粉室，大桶为送粉器的外壳)结合单向阀、三通管、流量计、电磁阀进行控制。工作时，气体从进气口进入送粉器，三通管将气体分为工作气体和送粉气体，工作气体直接输出送粉器去喷枪，工作气体出口处的电磁阀和流量计控制其流量；送粉气体则向上进入储粉室，吹拂储粉室中的粉末，真空中的粉末在这股气体的吹拂下做无规则的运动。储粉室的周向布满直径1～1.5mm的孔，储粉室和送粉器外壳之间为真空室，称之为送粉通道。送粉气体携带粉末通过小孔进入送分管道，然后汇聚于送粉气体的出口流出送粉器，送粉出口处的电磁阀和流量计控制其流量。

上述的用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述三维移动平台由机械手和控制芯片构成。机械手可以控制基板在X、Y、Z三个方向进行移动。机械手由内置芯片进行控制，芯片直接与控制柜中的电脑相连。三维移动平台与圆弧形立柱刚性固定在一起。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述储氢气瓶由内外三层构成，设置有进气口和出气口。储氢气瓶属于Ⅲ型储氢气瓶，最内层是纯铝层金属内胆，铝胆外面缠绕一层碳纤维，最外层是铸铁的外壳，该设计的优点在于可以减少瓶内快速充气时所带来的温度上升，可以进行快速充气。气瓶的出气口设有流量计、电磁阀、手动阀，其中流量计用来检测流量，电磁阀调节流量，手动阀为保险装置，一般情况下为开启状态，当电磁阀故障时可以代替其进行流量控制。进气口设计与出气口类似，所不同之处是添加了一个压力传感器用来监测瓶内的压力。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述增压器主要有电动机、旋转叶片、进气口、排气口构成。氢气从进气口进入，旋转叶片中有凹槽，气体在叶片中循环增压，完成气体增压，最后从排气口输出。

上述用于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印***，所述连接附件有高压金属软管、金属管(如紫铜与不锈钢管)。

参照图1、图2、图3、图4，本发明是一种于太空金属构件在轨制造和修复的固态3D打印方法与***，储气时手动阀11-7开启，手动阀11-9关闭，电磁阀11-8关闭，电磁阀11-6和流量计11-5控制气体进入储氢气瓶11的速度，高压液态气体从进气口11-12进入储氢气瓶11，气体被储存在储氢气瓶11中以备工作时使用，11-3的铝层金属内胆有着良好的导热速度，可以降低进气时的温升。工作时，手动阀11-7关闭，手动阀11-9开启，电磁阀11-7关闭，气态的高压气体经过11-11出气口输出，电磁阀11-10和流量计11-8控制气体输出储氢气瓶11的速度。出气口11-11增压器的进气口相连，气体经过增压器12增压后，通过排气口输出，增压器排气口与三通管10-1连接的，气体进入送粉器10，进入送粉器的气体分成两路，一路通过控制阀10-5和10-6流量计的控制，向外输出工作气体；一路通过单向阀10-2进入储粉室10-3，携带储粉室10-3中的粉末通过储粉室10-3周向的小孔按照箭头的路线向外输出送粉气体，控制阀10-7和10-8流量计的控制流速。工作气体经过工作金属软管7进入喷枪5中加热器5-9中，气体被加热至500℃～600℃然后进入预气室5-8中。预气室中的一部分工作气体在喷嘴5-1中被加速到超音速状态，一部分通过三通管5-6与送粉金属管6中的金属粉末和送粉气体混合，将粉末加热，送粉气体将金属粉末送至喷嘴5-1下游某处汇合，金属粉末被工作气体加速，飞出喷嘴，沉积到基板1的位置。

控制柜8中的电脑终端9进行建模和路径设计，路径设计好后将数据传输到三维移动平台控制芯片3上，芯片3控制三维移动平台2按照设定好的的路径移动。

喷枪5与三维移动平台2刚性连接，喷枪固定器立柱4-1与三维移动平台刚性固定，喷枪固定器圆弧段4-2通过连接螺栓4-3与喷枪5固定。

实施实例：

太空3D打印纯Cu。图5为5-20μm的Cu粉末的加速加行为。其中：喷嘴入口直径20mm，喉部直径2.7mm，出口直径5.7mm，直通段长度20mm，收缩段长度30mm，扩张段长度170mm，送粉入口角度45°，汇流点距离喷嘴喉部20mm；工作气体为氢气，压力3MPa，温度300K(室温)；送粉气体也为氢气，压力1.5MPa，温度300K(室温)；喷涂粉末取为直径5μm、10μm、20μm的球形Cu，喷涂距离30mm，粒子初始速度20m/s，初始温度300K。经喷嘴加速后，气流速度最高达3200m/s，并且在出口位置(0.17m处)出现瞬时下降，而后又升高。粒子速度在粒子进入主气流后迅速增加，粒子的速度随粒子直径的增大而减小，直径5μm的粒子的最高速度高达1400m/s，直径20μm的粒子的最高速度为800m/s，也远超过Cu的临界沉积速度，如果采用5-20μm的粉末，可实现100％沉积。粒子的最高速度不在喷嘴出口处，粒子飞出喷嘴后速度仍然在增加。气体和粒子的初始温度均为300K，被加热器加热后温度迅速升高，在喷嘴喉部位置(0.06m处)达到最高，约为560K，随后逐渐降温。降温过程中，粒子直径越大，温度下降的越慢，20μm温度下降最慢，5μm温度下降最快。气体温度在出口位置(0.17m处)达到最低，约为200K，粒子在经过出口后温度变化趋于平缓。最20μm粒子的最低温度(220K)出现在出口处，10μm的最低温度(230K)出现在0.2m处，5μm的最低温度(250K)出现在0.2m处。

Claims (8)

1.一种利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于包括基体或基板(1)、三维移动平台(2)、三维移动平台控制芯片(3)、圆弧形立柱(4)、喷枪(5)、送粉金属软管(6)、工作金属软管(7)、控制器(8)、送粉器(10)、储氢气瓶(11)和增压器(12)；基体或基板(1)与三维移动平台连接，三维移动平台(2)受控制芯片(3)的路径控制进行移动；三维移动平台(2)与圆弧形立柱(4)刚性固定，圆弧形立柱(4)连接喷枪(5)，喷枪(5)的进粉通道通过送粉金属软管(6)与送粉器(10)管路连接，管路上设有送粉控制阀(10-7)；喷枪(5)的工作气体进口通过增压器(12)与储氢气瓶(11)管路连接，管路上设有气体控制阀(10-5)；送粉器(10)通过增压器(12)与储氢气瓶(11)管路连接，管路上设有单向控制阀门(10-2)；所述喷枪(5)包括喷嘴(5-1)、微型温度传感器(5-2)、距离传感器(5-3)、温度传感器(5-4)、压力传感器(5-5)、三通管(5-6)、预气室(5-8)和内置加热器(5-9)；喷嘴(5-1)的尾部设有预气室(5-8)，预气室(5-8)的中部通口与三通管(5-6)连接，三通管(5-6)的一个通道与送粉器(10)连接，另一通道与喷嘴(5-1)的送粉通道连接；预气室(5-8)尾部为加热后氢气的入口通道，并与内置加热器(5-9)连接，内置加热器(5-9)与工作金属软管(7)连接；喷嘴(5-1)上设有微型温度传感器(5-2)，一侧的壳体上设有距离传感器(5-3)，预气室(5-8)的前部设有温度传感器(5-4)，后部设有压力传感器(5-5)；所述储氢气瓶包括气瓶外壳(11-1)、碳纤维缠绕层(11-2)、纯铝金属内胆(11-3)、压力传感器(11-4)、进气电磁阀(11-6)、进气手动阀(11-7)、出气手动阀(11-9)和出气电磁阀(11-10)；气瓶外壳(11-1)的两端分别设有进气口(11-12)和出气口(11-11)，内腔依次设有碳纤维缠绕层(11-2)和纯铝金属内胆(11-3)；进气口(11-12)的管路上设有压力传感器(11-4)、进气电磁阀(11-6)和进气手动阀(11-7)；出气口(11-11)的管路上设有出气手动阀(11-9)和出气电磁阀(11-10)；所有的温度传感器、压力传感、距离传感器和流量计的数据信息均传输至电脑终端，电脑终端根据三维数据发出控制指令，通过三维移动平台控制芯片控制三维移动平台，使得基体或基板根据设计路径移动，同时根据温度传感器、压力传感和流量计的数据控制阀门和加热器，调整工艺参数。

2.根据权利要求1所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于：所有的阀门部位均设有流量计。

3.根据权利要求1或2所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于：所述喷嘴(5-1)采用收缩扩张型拉瓦尔喷管，圆形截面喷嘴喉部直径在1～3mm；喷嘴出口直径在2.5～9mm；喷嘴下游长度为100-280mm；粉末通道位于距离喷嘴喉部10～30mm处，与喷嘴中心轴线的夹角为25°～60°。

4.根据权利要求3所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于：所述喷嘴(5-1)出口截面为矩形时，宽度为1～3mm，长度为5～20mm。

5.根据权利要求1或2所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***，其特征在于：所述送粉器(10)包括储粉室(10-3)和送粉器外壳(10-4)；储粉室(10-3)的周向设有多个通孔，进气管路通过单向控制阀门(10-2)与储氢气瓶(11)的出口连接，储粉室(10-3)与送粉器外壳(10-4)之间的出粉管路通过送粉控制阀(10-7)与送粉金属软管(6)连接。

6.一种利用权利要求1～5任一项所述利用冷喷涂对太空构件在轨制造和修复的固态3D打印***进行打印的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：利用计算机软件对产品进行建模，然后再利用特定的软件对模型进行精细化的切片并设计打印路径；

步骤2：按照路径设计，喷枪固定不动，三维移动平台在设计好的路径下进行移动，实现金属粒子在其特定位置的沉积，从而进行冷喷涂打印出构件；

冷喷涂打印过程为：

打开气体控制阀(10-5)将工作气体氢气通入喷枪的加热器中进行预热，预热温度是环境温度20℃～800℃，工作气体氢气的压力为0.5～5MPa；

打开单向控制阀门(10-2)，压力为0.5～5MPa，送粉气体将送粉器储粉室(10-3)中的粉末吹拂；

工作气体氢气经过管道输送到与枪体连接的喷嘴上游导流段，经过收缩段压缩，在喷嘴喉部达到音速，然后经过喷嘴下游扩张段产生超音速流动，直到喷嘴出口处产生一定的冲击波；

送粉气体将粉末送出送粉器，经过管道输送到喷嘴下游扩张段，通过喷嘴的送粉通道，粉末输入喷嘴下游方向与工作气体流动方向25°～60°的夹角与扩张段的工作气体混合，送粉气体的温度是环境温度20℃～600℃；

粉末粒子在工作气体中被加热，随着工作气体一起加速到600～1600m/s的高速状态，在飞出喷嘴出口后，碰撞在预置基体被三维数据锁定的位置并在此沉积下来，随着粉末的不断沉积，构件被制造出来。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：所述粉末包括但不限于：纯金属、合金或金属陶瓷复合粉末的一种或多种的混合。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述粉末的粒子尺寸为1～10μm。

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