一种3D打印推进剂药柱模块化组装方法与流程

一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法
技术领域
1.本发明属于固体发动机装药制造领域，具体涉及一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法。


背景技术：

2.固体装药3d打印是固体装药先进制造技术的一种，是一种以数字模型文件为基础，通过打印设备实现层层制造。通过3d打印可以突破现有装药使用的种种限制，可将装药组份-结构与性能随时间尺度调控一体化，实现复杂异型结构在单一装药部件上的技术集成，克服现有基于浇注成型的固体装药制造技术无法成型异形装药的固有缺陷。
3.固体装药对内部致密性具有严格要求，内部缺陷将导致燃烧异常，甚至造成固体发动机爆炸等灾难性后果。同时，固体装药材料包含氧化剂和燃料，对温度极为敏感，当温度高于其材料分解温度时，极易导致异常燃烧等现象，具有极高的危险性。因此，无法采用如金属3d打印的激光烧结(sls)、激光熔融(slm)等方法实现固体装药的打印成型。当前，普遍采用光热双重固化方法实现打印药柱成型，即通过激光对打印药柱进行表面快速维形，再由后期高温固化成型。激光快速维形中，仅表面维形，随着打印药柱长径比增加，重力影响显著，易导致药柱变形；同时，对于内部镂空结构，则难以一次成型。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，解决了现有装药3d打印方法无法实现装药一次、精准成型的技术问题，本发明能够实现大长径比异形药柱的精准成型，能够显著提高异形装药的制造效率。
5.为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，包括：
7.s1根据固体发动机装药内弹道设计结果，确定装药构型；
8.s2针对所述装药构型，对装药进行模块分割，得到n个装药模块，n＞1；
9.s3将n个装药模块3d打印成型；
10.s4将n个装药模块组装成为整体装药。
11.进一步的，步骤s2中，针对所述装药构型，对装药进行模块分割，得到n个装药模块的具体方法为：
12.当装药构型包括n个凹槽时，分割部位在每个凹槽深度最大处，分割为n+1个装药模块，即n＝n+1；
13.当装药构型内部镂空时，分割部位在内孔表面距离装药外径最小处；
14.当装药构型长径比大于1，分割部位使单个装药模块的长径比小于1。
15.进一步的，步骤s4中，将n个装药模块利用推进剂稀浆组装为整体装药；
16.推进剂稀浆包括粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂，粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂所用材料种类与装药配方中粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂所用材料种类相同，推进剂
稀浆的固含量小于80％。
17.进一步的，步骤s4中，将n个装药模块利用推进剂稀浆组装为整体装药的方法为：
18.在n个装药模块的对接面上涂覆推进剂稀浆；
19.通过组装工装实现n个装药模块的对接和加压。
20.进一步的，组装工装包括第一加力杆、第二加力杆、加力板、加力工装、定位筒和底板；
21.定位筒为圆筒形，内部设有用于容纳装药模块的空腔；
22.底板固定安装于定位筒的第一端，加力工装安装于定位筒的第二端；
23.第一加力杆和第二加力杆的第一端与底板螺纹连接，第一加力杆和第二加力杆的第二端穿过加力板的连接孔并利用螺母固定；通过旋转螺母带动加力板相对于底板进行沿定位筒轴向的运动；
24.加力板作用于加力工装上，加力板沿定位筒轴向的运动带动加力工装沿定位筒轴向的运动，加力工装对组装后的装药模块直接施加载荷。
25.进一步的，第一加力杆和第二加力杆与定位筒轴向平行，第一加力杆和第二加力杆分别位于定位筒外部两侧；
26.加力工装与装药模块的接触面为与定位筒内径相等的圆形。
27.进一步的，底板和定位筒之间具有轴向和径向限位结构。
28.进一步的，通过加压工装实现n个装药模块的对接和加压时，对接面等效压力为0.2～0.5mpa，并保持10分钟以上的时间。
29.进一步的，所述装药的固含量大于88％。
30.进一步的，步骤s3中，n个装药模块同时进行打印成型；
31.步骤s3中，n个装药模块打印过程中通过紫外光线激光固化(表面维形)，打印完成后通过60℃温箱固化后形成致密构型。
32.本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
33.(1)本发明可以制造装药结构完整性与内弹道性能有机统一的异形装药，能够克服现有固体装药装填系数低、内弹道压强波动大、发动机消极质量大等问题；
34.(2)本发明采用推进剂稀浆，组装完成后推进剂稀浆与被连接药柱紧密粘接，燃烧过程中不会产生异常燃面；
35.(3)本发明可以实现模块化药柱的同步制造，基于本发明实现大长径比异形药柱的精准成型，能够显著提高异形装药的制造效率。
附图说明
36.图1为采用3d打印推进剂药柱模块化组装方法的异形药柱结构示意图；
37.图2为使用工装进行3d打印推进剂模块化药柱组装的示意图；
38.图中：1-第一模块化药柱；2-第二模块化药柱；3-第三模块化药柱；4-第四模块化药柱；5-组装药柱；6-第一加力杆；7-加力板；8-加力工装；9-定位筒；10-第二加力杆；11-底板。
具体实施方式
39.下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
40.在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
41.本发明公开了一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，包括依据固体发动机内弹道要求设计固体装药构型，并根据装药3d打印实现能力进行模块化分割，基于3d打印方法获得固体推进剂模块化药柱，在定位和加载工装作用下，使用推进剂稀浆将模块化药柱连接为一个整体。本发明可以有效解决当前3d打印技术无法实现大长径比、异形药柱一次精准成型难题，连接面结构致密，保证成型精度，实现可靠工作。本发明充分利用3d打印技术多燃速、模块化成型优势，通过模块化药柱组装，实现大长径比、异形药柱成型，满足高装填、理想弹道装药设计和制造需求。
42.本发明提供一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，以解决上述背景技术中提出的3d打印大长径比药柱成型问题。
43.本发明一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，步骤包括：根据固体发动机装药内弹道设计结果，确定装药构型；针对所述装药构型，对装药进行模块切分；所述装药模块由推进剂3d打印系统打印成型；针对所述装药模块，在分割面涂覆推进剂稀浆，通过组装工装实现精准对接和载荷施加。
44.推进剂稀浆包括粘合剂、固化剂、增塑剂、氧化剂等组分，材料与3d打印推进剂配方相同，固含量小于80％。
45.如图2，所述组装工装具有径向和轴向定位功能，并且能够通过螺纹实现轴向施加压力，包括第一加力杆6、第二加力杆10、加力板7、加力工装8、定位筒9、底板11。定位筒为圆环形，内部设有用于容纳组装药柱5的空腔；定位筒9安装于底板11之上，两者之间具有轴向和径向限位结构，并通过第一加力杆6、第二加力杆10与加力板7连接；第一加力杆6和第二加力杆10有螺纹，通过螺母实现载荷施加；加力板作用于加力工装8上，加力工装8对组装药柱5直接施加载荷。
46.所述装药分割方法包括：
47.针对所述装药构型，当构型包括n个凹槽时，分割部位在凹槽深度最大处，分割为n+1个模块；当构型内部镂空，分割部位在内孔表面距离装药外径最小处。当长径比大于1，分割部位在于使单个模块装药长径比小于1。
48.实施例：
49.如图1，本发明提供的一种实施例：一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，根据固体发动机内弹道设计要求和装药结构完整性要求，设计固体药柱构型。针对所所述装药构型，以推进剂3d打印系统在无支撑情况下能够一次打印成型为分割原则，同时兼顾分割次数最小化原则，以便减少粘接界面，将药柱(装药)分割为药柱：在凹槽深度最大处，分割为4个模块：第一模块化药柱1、第二模块化药柱2、第三模块化药柱3、第四模块化药柱4。
50.第一模块化药柱1、第二模块化药柱2、第三模块化药柱3、第四模块化药柱4所用推进剂固含量为90％，具有高密度高比冲特性，采用高固含量多燃速推进剂3d打印系统，依次
打印完成第一模块化药柱1、第二模块化药柱2、第三模块化药柱3、第四模块化药柱4，也可以由多台打印系统同时打印。打印过程中通过紫外光线激光固化，维持表面初步固化；模块药柱打印完成后通过60℃温箱固化后形成致密构型。
51.针对第一模块化药柱1、第二模块化药柱2、第三模块化药柱3、第四模块化药柱4，使用组装工装进行精确定位和压力施加。首先将底板11与第一加力杆6、第二加力杆10、定位筒9按照图2所示组合完成；模块化药柱1放置于定位筒9内、定位板11之上；在第一模块化药柱1、第二模块化药柱2对接面涂覆连接用的推进剂稀浆；按照上述方法依次完成第三模块化药柱3、第四模块化药柱4的放置与对接。再将加力工装8放置于第四模块化药柱4顶部，将加力板7的两个连接孔分别穿过第一加力杆6、第二加力杆10，并使用螺母拧紧，通过仿真计算所需扭矩，使对接面等效压力约为0.3mpa，并保持10分钟以上的时间。即可获得完整药柱。
52.以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
53.本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

技术特征：
1.一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，包括：s1根据固体发动机装药内弹道设计结果，确定装药构型；s2针对所述装药构型，对装药进行模块分割，得到n个装药模块，n＞1；s3将n个装药模块3d打印成型；s4将n个装药模块组装成为整体装药。2.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，步骤s2中，针对所述装药构型，对装药进行模块分割，得到n个装药模块的具体方法为：当装药构型包括n个凹槽时，分割部位在每个凹槽深度最大处，分割为n+1个装药模块，即n＝n+1；当装药构型内部镂空时，分割部位在内孔表面距离装药外径最小处；当装药构型长径比大于1，分割部位使单个装药模块的长径比小于1。3.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，步骤s4中，将n个装药模块利用推进剂稀浆组装为整体装药；推进剂稀浆包括粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂，粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂所用材料种类与装药配方中粘合剂、固化剂、增塑剂和氧化剂所用材料种类相同，推进剂稀浆的固含量小于80％。4.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，步骤s4中，将n个装药模块利用推进剂稀浆组装为整体装药的方法为：在n个装药模块的对接面上涂覆推进剂稀浆；通过组装工装实现n个装药模块的对接和加压。5.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，组装工装包括第一加力杆(6)、第二加力杆(10)、加力板(7)、加力工装(8)、定位筒(9)和底板(11)；定位筒(9)为圆筒形，内部设有用于容纳装药模块的空腔；底板(11)固定安装于定位筒(9)的第一端，加力工装(8)安装于定位筒(9)的第二端；第一加力杆(6)和第二加力杆(10)的第一端与底板(11)螺纹连接，第一加力杆(6)和第二加力杆(10)的第二端穿过加力板(7)的连接孔并利用螺母固定；通过旋转螺母带动加力板(7)相对于底板(11)进行沿定位筒(9)轴向的运动；加力板(7)作用于加力工装(8)上，加力板(7)沿定位筒(9)轴向的运动带动加力工装(8)沿定位筒(9)轴向的运动，加力工装(8)对组装后的装药模块直接施加载荷。6.根据权利要求5所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，第一加力杆(6)和第二加力杆(10)与定位筒(9)轴向平行，第一加力杆(6)和第二加力杆(10)分别位于定位筒(9)外部两侧；加力工装(8)与装药模块的接触面为与定位筒(9)内径相等的圆形。7.根据权利要求6所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，底板(11)和定位筒(9)之间具有轴向和径向限位结构。8.根据权利要求5所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，通过加压工装实现n个装药模块的对接和加压时，对接面等效压力为0.2～0.5mpa，并保持10分钟以上的时间。9.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，所述装
药的固含量大于88％。10.根据权利要求1所述的一种3d打印推进剂药柱模块化组装方法，其特征在于，步骤s3中，n个装药模块同时进行打印成型；步骤s3中，n个装药模块打印过程中通过紫外光线激光表面维形，打印完成后通过60℃温箱固化后形成致密构型。

技术总结
本发明公开了一种3D打印推进剂药柱模块化组装方法，包括：根据固体发动机装药内弹道设计结果，确定装药构型；针对所述装药构型，对装药进行模块分割，得到N个装药模块，N＞1；利用推进剂3D打印系统，将N个装药模块3D打印成型；将N个装药模块使用组装工装和推进剂稀浆组装为完整装药。本发明能够实现大长径比异形药柱的精准成型，能够显著提高异形装药的制造效率。效率。效率。


技术研发人员：何快 毛成立 黄江流 乐浩 李莎莎 陈建发
受保护的技术使用者：上海新力动力设备研究所
技术研发日：2022.12.29
技术公布日：2023/5/16