CN104625072A - 一种3d打印电磁线圈的方法 - Google Patents

Abstract

一种3D打印电磁线圈的方法，通过计算机辅助设计软件设计出所需的线圈立体模具文件；通过3D打印机打印出实体模具；注入常温下成液态的金属或金属合金，形成导电线圈；然后将金属连接器嵌入模具的入口与出口处，以提供与外部电路的接口，最后使用环氧树脂密封线圈的入口与出口处。本发明可以精确有效地设计电磁线圈的结构，而不会受到体积的限制。同时本发明构造的每一步骤都易于流水化生产，从而极大地减少了构造电磁线圈所需要的时间。

Description

一种3D打印电磁线圈的方法

技术领域

本发明涉及3D打印技术领域，具体是一种3D打印电磁线圈的方法。

背景技术

多维空间的电磁场广泛应用于核磁共振，弱磁检测，靶向给药，以及磁热辽等领域中。而这些不同类型的多维电磁场通常由螺线管，亥姆霍兹线圈，麦克斯韦线圈等电磁线圈产生。这些线圈通常由手工或机器绕制而成。然而，当线圈的体积降至毫米量级及以下时，传统方法已无法构造出精确结构的电磁线圈，因此电磁场的精度受到限制。同时在某些领域，比如生物医学，通过传统方法构造的线圈无法实现对样本进行微观或光谱可视化处理过程中的要求的光学透明性。

3D打印技术通过计算机辅助设计软件可以有效的设计高精确度的模具。然而目前大多数3D打印技术只能使用单一材料，如何将金属与打印材料结合从而有效地构造电子器件，仍是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，提供一种3D打印电磁线圈的方法，通过3D打印技术，结合液态金属注入技术，利用3D打印机打印出线圈模具，并使用液态金属将其注入到模具中，形成导电线圈。此导电线圈可以产生直流或交变的磁场，应用于需要电磁场的各个领域。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种3D打印电磁线圈的方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

①根据所需电磁线圈的尺寸，利用计算机辅助设计软件，设计出所需电磁线圈的3D模具文件；

②通过3D打印机打印出所需电磁线圈的实体模具；

③利用注射器或注射泵将液态金属或金属合金注入所述的实体模具中，形成导电线圈。

优选的，该方法还包括步骤：

④为了便于与外部电路连接，在所述的实体模具的入口与出口处分别嵌入连接器；

⑤用环氧树脂将实体模具的入口与出口进行密封。

所述的电磁线圈包含但不局限于螺线管，亥姆霍兹线圈，以及麦克斯韦线圈等。

所述的液态金属包含但不局限于汞，铟镓合晶等常温下呈现液态的金属或金属合金。

所述的打印材料包含但不局限于塑料，光敏树脂，塑胶，橡胶，纸质及其他。

所述的金属连接器的材料包含但不局限于金，银，铜，铝等金属。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)精确有效地设计电磁线圈的结构，不会受到体积的限制。

(2)易于流水化生产，极大地减少了构造电磁线圈所需要的时间。

(3)具有简单、精确构造电磁线圈的特点。

附图说明

图1是本发明3D打印电磁线圈的方法的流程框图。

图2是依据本发明设计的螺线管3D立体模具文件以及对应的打印出的实体模具；(a)中显示了一个电磁螺线管的立体模具文件，(b)为对应的打印出的实体模具。

图3是依据本发明设计的3D亥姆霍兹立体模具文件以及对应的打印出的实体模具；(a)中显示了一个3D亥姆霍兹线圈的立体模具文件，(b)为对应的打印出的实体模具。

图4是本发明设计的密封模具的入口与出口后形成的的3D亥姆霍兹线圈。

图5是本发明设计的3D亥姆霍兹线圈内的电磁场的仿真与测量数据；其中(a)-(c)显示了线圈内部在三个方向的磁场分布，(d)显示了线圈中心磁场随电流的变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

参照图1，一种3D打印电磁线圈的方法，包括如下步骤：①确定设计电磁线圈的尺寸，在计算机辅助设计软件中设计出所需电磁线圈的3D模具文件；②通过3D打印机打印出所需电磁线圈的实体模具；③利用注射器将液态金属或金属合金注入所述的实体模具中，形成导电线圈。当模具内部结构较为复杂，手工无法产生足够的压力将液态金属注入时，可以利用注射泵将其注入。④在所述的实体模具的入口与出口处分别嵌入连接器，使线圈易于与外部电路连接；⑤用环氧树脂将实体模具的入口与出口处进行密封，以防止液态金属溢出。

图2(a)中显示了一个电磁螺线管的立体模具文件。此螺线管导线直径为0.8mm,线圈直径为6mm,线圈的层数为4层，每层30圈。图2(b)为对应的打印出的实体模具。图3(a)中显示了一个3D亥姆霍兹线圈的立体模具文件。图3(b)为对应的打印出的实体模具。此3D亥姆霍兹线圈的导线直径为0.8mm,线圈直径分别为6mm,11mm,16mm。每个亥姆霍兹的圈数为8圈。图3(b)为对应的打印出的实体模具。

图4显示了封装后的3D亥姆霍兹线圈。为了验证这种构造方法的可行性，仿真并测量了这个3D亥姆霍兹线圈内部的磁场分布。对于亥姆霍兹线圈中心的磁场可以用公式运算。μ代表磁导率，n代表线圈匝数，I代表流过线圈的电流，R代表线圈半径。线圈内部某一点的磁场强度可用公式

$B\left(z\right)=\frac{\mathrm{\μIn}{R}^2}{2}[\frac{1}{{(R^2+{(z+R/2)}^2)}^{3/2}}+\frac{1}{{(R^2+{(z-R/2)}^2)}^{3/2}}]$ 估算，z代表监测点与线圈中心的距离。图5显示了这个3D亥姆霍兹线圈在空间的磁场分布。其中(a)-(c)显示了线圈内部在三个方向的磁场分布。(d)显示了线圈中心磁场随电流的变化图。测量结果与仿真结果一致，磁场内部中心区域磁场均匀度达到99％，整个线圈内部磁场变化在9％之内。磁场内部强度可高达70高斯。此实验结果证明了这个构造方法的可行性。

经试验表明，本发明通过3D打印技术精确打印出电磁线圈实体模具，并通过注入液态金属形成导电线圈。通过此方法可以有效地解决线圈体积的约束问题。并且随着打印材料中越来越多透明、半透明材料的出现，通过使用这些材料可以有效的解决光学透明性问题。

Claims (6)

1.一种3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

①根据所需电磁线圈的尺寸，利用计算机辅助设计软件，设计出所需电磁线圈的3D模具文件；

②通过3D打印机打印出所需电磁线圈的实体模具；

③利用注射器或注射泵将液态金属或金属合金注入所述的实体模具中，形成导电线圈。

2.根据权利要求1所述的3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，该方法还包括步骤：

④在所述的实体模具的入口与出口处分别嵌入连接器；

⑤用环氧树脂将实体模具的入口与出口进行密封。

3.根据权利要求1或2所述的3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，所述的电磁线圈是螺线管、亥姆霍兹线圈或麦克斯韦线圈。

4.根据权利要求1或2所述的3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，所述的液态金属是汞或铟镓合晶。

5.根据权利要求1或2所述的3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，所述的实体模具的材料为塑料、光敏树脂、塑胶、橡胶或纸质材料。

6.根据权利要求1或2所述的3D打印电磁线圈的方法，其特征在于，所述的连接器的材料是金属。