CN111038705A - 用于螺旋桨防冰的增材制造的加热器元件 - Google Patents
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Abstract
一种增材制造的加热元件打印在柔性基板上并附接到具有复杂几何表面的飞机部件。所述加热元件由多个导电油墨层制成，通过一条或多条引线电连接到控制器。
Description
背景技术
本申请整体涉及飞机防冰加热器元件，且具体地涉及增材制造的加热器元件。
许多飞机部件需要加热以防止冰的形成并使其最小化。具体地，现有技术的螺旋桨防冰加热器为绕线式或蚀刻金属箔。绕线式加热器需要耗费大量时间来建造。蚀刻金属箔加热器是通过不经济的且对环境不友好的工艺制造的，该工艺很难控制并产生大量废料。已经利用常规的印刷电路制造了替代的防冰加热器，其需要刚性的高能基板，该基板不适用于与螺旋桨防冰相关联的复杂几何形状或高疲劳环境。
发明内容
在第一实施方案中，一种组件包括：需要加热的部件；部件上的柔性基板；柔性基板上的加热元件；电连接到加热元件的一条或多条引线；以及通过一条或多条引线电连接到加热元件的控制器。加热元件是增材制造的，使得它包括多个导电油墨层。
在第二实施方案中，一种加热器包括柔性基板和柔性基板上的加热元件，加热元件包括多个导电油墨层。
在第三实施方案中，一种制造加热器的方法包括：将具有多个层的导电油墨结构增材制造到柔性基板上以制造加热元件；将加热元件与一条或多条引线电连接；以及将具有加热元件的柔性基板附接到部件表面。
附图说明
图1A至图1B是增材制造的加热器的示意图。
图2是螺旋桨中的增材制造的加热器的示意图。
图3A至图3B是第二实施方案中螺旋桨中的增材制造的加热器的示意图。
具体实施方式
可通过将导电油墨增材制造在柔性基板上来制造适用于螺旋桨和其他飞机部件应用的柔性增材制造的防冰加热器。当增材制造在诸如氯丁橡胶、TPU、氨基甲酸乙酯或织物的柔性基板上时，这些导电油墨可集成到将与螺旋桨叶片相符并挠曲到螺旋桨叶片的弹性体螺旋桨防冰部件中。替代地，可将由导电油墨制成的加热元件通过诸如气溶胶喷射打印工艺或喷墨打印工艺的方法直接增材制造到螺旋桨的表面上。
图1A至图1B是增材制造的加热器10的示意图，并且将一起讨论。图1A是加热器10的自顶向下视图，而图1B是加热器10的沿着线A-A的侧视图。加热器10包括由包封材料16覆盖的基板14上的导电油墨12。导电油墨12通过引线18电连接到控制器20。
加热器10是由导电油墨12制成的三维增材制造的装置，其电阻率范围为每英尺10.4至620圆密尔欧姆，这取决于加热器10的大小和具体应用。导电油墨12可具有在约0.0001英寸和0.010英寸之间的厚度。
导电油墨12构成加热器10的增材制造的加热部分。导电油墨12可以是碳负载的、纳米碳负载的或纳米银负载的油墨，并且可负载碳(或银)颗粒高达70％。在其他实施方案中，导电油墨12可负载高达60％，或负载至少高达50％。导电油墨12可以是例如可商购的油墨，诸如：可购自Loctite的
CT 5030、
8008MD、
EDAG 6017SS或
EDAG 725A；可购自Henkel的
S-FN 109；可购自DuPont USA的
PE671、
PE873或
PE410。
替代地，导电油墨12可以是正温度系数(PTC)油墨。PTC加热器是自动调节加热器，其无需任何外部诊断控制即可开环运行。正温度系数加热器达到全功率并迅速升温至最佳温度，但随着热量增加，功耗下降。这种动态类型的加热器是有效的，并且省时且节能。因此，由PTC导电油墨12制成的加热器10不需要外部温度控制。PTC油墨的实例包括可购自DuPont的
7292或可购自Henkel的
ECl 8060。
加热器10的导电油墨12被配制成允许高度精细的精确打印，并且保持高电阻而在相邻的增材制造的线之间无渗出。将导电油墨12通过打印工艺(诸如丝网打印、喷墨打印、气溶胶喷射打印或已知提供类似打印能力的其他工艺)增材制造到基板14上。
基板14可以是例如导电油墨12增材制造在其上的柔性基板。适当的材料包括氯丁橡胶、尼龙织物、玻璃织物、预浸渍织物(含有树脂)、氨基甲酸乙酯或其他类似材料。替代地，导电油墨12可直接增材制造到加热器10将加热的部件的表面上。
将导电油墨12通过包封材料16密封到基板14(或部件的表面)，这保护导电油墨12免受外部污染物和介电失效的影响。包封材料可包括氯丁橡胶、尼龙织物、玻璃织物、预浸渍织物、氨基甲酸乙酯或将导电油墨12与外部环境电隔离的其他材料。
在任一情况下，引线18在导电油墨12和控制器20之间形成电连接。引线18可以是常规的线，或者可像导电油墨12那样增材制造。
控制器20经由引线18与加热器10通信。控制器20基于预设的开和关时间，或者基于来自温度传感器(未示出)的温度反馈，为加热器10通电和断电。
控制器20可包括一个或多个处理器和用指令编码的控制器可读存储器，所述指令当由一个或多个处理器执行时，致使控制器20根据本文所描述的技术操作。一个或多个处理器的实例包括微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他等效的离散或集成逻辑电路中的任一个或多个。控制器20的控制器可读存储器可被配置为在操作期间在控制器20内存储信息。在一些实例中，控制器可读存储器可被描述为控制器可读存储介质。在一些实例中，控制器可读存储介质可包括非暂时性介质。术语“非暂时性”可指示存储介质不体现在基板波或传播信号中。在某些实例中，非暂时性存储介质可存储可随时间而改变的数据(例如，存储在RAM或高速缓存中)。控制器20的控制器可读存储器可包括易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器的实例可包括随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)和其他形式的易失性存储器。非易失性存储器的实例可包括磁性硬盘、光盘、软盘、闪存存储器、或者电可编程存储器(EPROM)或电可擦且可编程(EEPROM)存储器的形式。控制器20可以是专用于操作催化氧化单元的独立装置，或者它可与另一个控制器集成。
在操作中，加热器10将电输入转换成基板14表面上的热输出，以加热加热器10所在的部件。增材制造的加热器10也可应用于几何复杂的表面。由于现有的油墨技术通常受到其承载电流的能力的限制，因此本发明最适合于需要较低功率密度(<10瓦/平方英寸)的应用，诸如螺旋桨。
导电油墨12可例如制造在诸如基板14的柔性基板上。柔性基板14必须能够与加热器10将要应用于的部件表面的曲率相符。上面讨论了基板14的材料。在某些情况下，必须在打印之前使用常规的固化方法清洁或固化基板。
基板14必须与部件和用于制造加热元件的导电油墨12两者都兼容，并且可以是低能基板材料。例如，柔性基板14必须能够承受部件发生的加热，并保持与部件的粘附。这在很大程度上取决于特定部件和所选择的导电油墨12。例如，如果部件为螺旋桨叶片，则柔性基板14必须能够承受飞机外部的光、温度和天气。
接下来，将导电油墨12按层增材制造到基板14上以形成加热器10。以上讨论了可商购的导电油墨的实例。通常，可使用喷墨打印、气溶胶喷射打印或丝网打印，这取决于所选择的油墨类型、期望的层厚度和加热器10的尺寸。对于使用丝网打印在基板上进行的二维打印，基于正使用的导电油墨12、需要增材制造的导电油墨12的期望厚度以及将增材制造在其上的基板来选择诸如网目数、大小和材料的丝网规格。
对于喷墨方法和气溶胶喷射方法，打印头应当可至少在(x、y、z)轴上移动并且可利用特定于其上将应用导电油墨12的部件的几何图案进行编程。特定的打印头和增材制造方法将取决于油墨制造商提出的确切油墨配方和要求。喷墨打印机和打印头以及气溶胶喷射打印机和打印头可用于二维应用(诸如在基板上打印)，但理想地可被适配为通过将打印头附接到数控机器人臂上来实现三维打印能力。例如，可使用以下三维喷墨和气溶胶喷射打印设备：由Ultimaker开发的(三维喷墨设备)或由Optomec开发的(三维气溶胶喷射设备)。对于喷墨方法或气溶胶喷射方法，打印头温度、流速、喷嘴大小也是基于正增材制造的导电油墨、所需的导电油墨厚度和要增材制造在其上的基板来选择的。
打印以增材方式完成，这意味着以期望的几何图案和期望的尺寸达到期望的加热器元件电阻之前(其与部件的曲率匹配)，打印头需要进行一遍或多遍。替代地，基板14可以是刚性基板，该刚性基板已经成形为使得它与它将要应用于的部件的几何表面相符。在这种情况下，导电油墨12的增材制造必须遵循三维打印图案。
增材制造的加热器元件的导电油墨12应具有在约0.0001”至0.010”之间的厚度。当应用导电油墨12时，打印头进行了多遍。通过打印头的各遍动作而沉积的每个层都应该具有约1-100微米的厚度。多遍动作允许导电油墨12缓慢积聚，以形成正确的电阻和几何图案。此外，多遍动作允许在部件表面的某些部分上定制导电油墨12。例如，与部件的第二部分相比，具有较低电阻(例如，具有较高层数)和较大厚度的导电油墨12可增材制造在部件的第一部分上。
在增材制造加热元件之后，导电油墨12固化，并且引线18连接到导电油墨12。增材制造的导电油墨12的固化工艺取决于所用导电油墨12的类型。在某些情况下，导电油墨12将风干。在其他情况下，可使用加热、红外曝光、UV曝光或其他方法来固化导电油墨12。
在将导电油墨12增材制造到基板14上之后，可用介电材料(诸如丙烯酸、氯丁橡胶、聚氨酯、硅酮或环氧玻璃纤维基质)包封它，以防止腐蚀和电短路。例如，具有高介电强度的包封材料可能仅需要为0.001”厚，而具有较低介电强度的材料(诸如聚氨酯或氯丁橡胶)可厚达0.015-0.060”。然后可通过常规方法来固化包封材料16。
最后，取决于部件和环境要求，可将加热器10利用粘合剂诸如粘固剂(cementadhesive)(用于涂覆到螺旋桨叶片或其他表面)应用于部件表面。柔性基板14允许加热器10与其将应用于的部件表面的曲率相符，而不会产生不必要的内应力。
替代地，导电油墨12被直接增材制造到部件表面上。如果导电油墨12被直接增材制造到部件表面上，则所使用的打印方法必须允许打印头可在三维中移动并在打印时导航部件表面的几何形状。与第一方法类似，打印头将进行多遍，直到导电油墨12的电阻和厚度正确为止。可使用诸如丝网打印、喷墨打印或气溶胶喷射打印的方法，将基于导电油墨12正增材制造在其上的形状的复杂性来选择该方法。在某些情况下，必须在打印导电油墨12之前对部件表面进行底涂或制备。打印工艺类似于参考第一实施方案所述的打印工艺，但在该实施方案中，打印头遵循预定的三维程序以在部件的表面上打印。一旦增材制造，导电油墨12必须如上所述电连接、包封和固化。
在某些情况下，在组件表面为导电的(金属)的情况下，这需要在组件和增材制造的导电油墨12之间使用中间介电层，诸如非导电油墨，如可购自DuPont USA的DuPont BQ10或ME777；或整体粘结层，诸如环氧玻璃纤维。介电层的典型厚度取决于材料的介电强度，且因此可在0.0005”厚和0.010”厚之间变化。对于某些类型的复合表面，介电层不是必需的。该介电层很薄，并且在部件表面和增材制造的导电油墨12之间用作绝缘体和粘合剂。与第一实施方案中的柔性基板一样，该介电层必须能够承受温度、光和其他环境因素，使得加热器10保持其与部件的粘附。
在加热器10的任何方法中，加热器10粘附到其要应用于的部件表面并与该表面的几何形状匹配。这允许在部件和加热器10的寿命期间具有更大的抗疲劳性。此外，导电油墨12的多次应用允许部件上的加热元件的厚度和电阻根据需要变化。参考图2讨论集成在部件内的加热器10的各种实施方案。
图2是集成在螺旋桨组件22内的加热器10的示意图。螺旋桨组件22从内到外具有芯部24、结构层28、加热器10、防蚀罩30、引线18和控制器20。
部件组件22是飞机的具有弯曲表面的螺旋桨。芯部24和结构层28构成部件22的内部结构，提供结构支撑。芯部24可以是例如金属、木材、泡沫、玻璃纤维或适于支撑螺旋桨组件22的其他材料。防蚀罩30保护包括加热器10在内的组件22整体免受外部环境的影响。
加热器10在内部加热部件22，并且可为以上提及的任何实施方案。在图2中，加热器10被描绘为具有夹在组件22的结构层28和防蚀罩30之间的基板14、导电油墨12以及包封层16。在螺旋桨组件22的组装期间对加热器10的层进行拼合和增材制造。以这种方式，加热器10的零件(基板14、导电油墨12、包封层16)为螺旋桨组件22的层。嵌入在组件22的中间，加热器10经由引线18电连接到控制器20，并且免受外部和环境因素的影响。
加热器10的导电油墨12可以不同的电阻打印。例如，在加热器10的第一部分中，导电油墨12可具有较高的功率密度。在加热器10的第二部分中，导电油墨12可具有较低的功率密度。这可根据需要加热的部件上的功率密度需求来定制。另外，增材制造的防冰加热元件可打印成复杂的几何图案(诸如冗余路径或图案)，所述复杂的几何图案增大了对外来物体损伤的抵抗力。
图3A至图3B是第二实施方案中螺旋桨34上的增材制造的加热器10的示意图，并且将一起讨论。图3A是螺旋桨组件34的透视图，而图3B是沿着图3A的线B-B的剖视图。除加热器10、引线18和控制器20之外，螺旋桨组件34还包含芯部24、结构层28和防蚀罩30。这些是与图2中相同的多个部件。将深入讨论不同的部件。
在组件34中，加热器10是在组件34的弯曲表面上并且与组件34的几何形状相符的增材制造的导电油墨12。替代地，导电油墨12可位于柔性基板上，该柔性基板附接到组件34的曲面。引线18将加热器10连接到电源，并且允许随着加热器10加热组件34的表面，与控制器通信。如参考图2所讨论的那样，导电油墨12可以不同的电阻打印。
高挠性的复合螺旋桨叶片很常见。证据表明，柔性基板上的增材制造的防冰加热元件可在这些类型的螺旋桨叶片上提供较大的抗疲劳性。最后，增材制造的防冰加热元件比传统的绕线式加热元件或蚀刻金属加热元件重量更轻。
可能实施方案的讨论
以下是本发明的可能实施方案的非排他性描述。
一种组件包括：需要加热的部件；部件上的柔性基板；柔性基板上的加热元件；电连接到加热元件的一条或多条引线；以及通过一条或多条引线电连接到加热元件的控制器。加热元件是增材制造的，使得它包括多个导电油墨层。
附加地和/或替代地，前一段的组件可任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任何一个或多个：
该部件包括螺旋桨。
该柔性基板选自由以下项组成的组：氯丁橡胶、TPU、氨基甲酸乙酯、玻璃织物、预浸渍织物、以及它们的组合。
该加热元件选自由以下项组成的组：负载金属材料的导电油墨、负载金属合金的导电油墨、负载复合材料的导电油墨、负载碳同素异形体的导电油墨、以及它们的组合。
该加热元件用介电材料包封，该介电材料选自由以下项组成的组：丙烯酸、氯丁橡胶、聚氨酯、硅酮和环氧玻璃纤维基质。
加热器包括柔性基板和柔性基板上的加热元件，该加热元件包括多个导电油墨层。
附加地和/或替代地，前一段的加热器可任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任何一个或多个：
加热元件具有在0.1欧姆与60欧姆之间的电阻。
加热元件具有在2欧姆与5欧姆之间的电阻。
加热元件具有在0.0001英寸和0.010英寸之间的厚度。
导电油墨包含负载颗粒，所述负载颗粒选自由以下项组成的组：碳颗粒、纳米碳颗粒和纳米银颗粒。
导电油墨包含高达70％的负载颗粒。
导电油墨包含高达60％的负载颗粒。
导电油墨包含高达50％的负载颗粒。
一种制造加热器的方法包括：将具有多个层的导电油墨结构增材制造到柔性基板上以制造加热元件；将加热元件与一条或多条引线电连接；以及将具有加热元件的柔性基板附接到部件表面。
附加地和/或替代地，前一段的加热器可任选地包括以下特征、配置和/或附加部件中的任何一个或多个：
该方法包括包封加热元件。
导电油墨结构包括碳颗粒、纳米碳颗粒或纳米银颗粒。
增材制造包括丝网打印、喷墨打印或气溶胶喷射打印。
虽然已经参考示例性实施方案描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可做出各种改变并可使用等效物来取代示例性实施方案的要素。另外，在不脱离本发明的基本范围的情况下，可做出许多修改来使特定情况或材料适应于本发明的教义。因此，本发明不意图局限于所公开的特定实施方案，而是本发明将包括落在所附权利要求的范围内的所有实施方案。
Claims (17)
1.一种组件，其包括：
需要加热的部件；
所述部件上的柔性基板；
所述柔性基板上的加热元件，其中所述加热元件是增材制造的，使得它包括多个导电油墨层；
电连接到所述加热元件的一条或多条引线；以及
通过所述一条或多条引线电连接到所述加热元件的控制器。
2.如权利要求1所述的组件，其中所述部件包括螺旋桨。
3.如权利要求1所述的组件，其中所述柔性基板选自由以下项组成的组：氯丁橡胶、TPU、氨基甲酸乙酯、玻璃织物、预浸渍织物、以及它们的组合。
4.如权利要求1所述的组件，其中所述加热元件选自由以下项组成的组：负载金属材料的导电油墨、负载金属合金的导电油墨、负载复合材料的导电油墨、负载碳同素异形体的导电油墨、以及它们的组合。
5.如权利要求1所述的组件，其中所述加热元件用介电材料包封，所述介电材料选自由以下项组成的组：丙烯酸、氯丁橡胶、聚氨酯、硅酮和环氧玻璃纤维基质。
6.一种加热器，其包括：
柔性基板；
所述柔性基板上的加热元件，所述加热元件包括多个导电油墨层。
7.如权利要求6所述的加热器，其中所述加热元件具有在0.1欧姆与60欧姆之间的电阻。
8.如权利要求7所述的加热器，其中所述加热元件具有在2欧姆与5欧姆之间的电阻。
9.如权利要求6所述的加热器，其中所述加热元件具有在0.0001英寸和0.010英寸之间的厚度。
10.如权利要求6所述的加热器，其中所述导电油墨包含负载颗粒，所述负载颗粒选自由以下项组成的组：碳颗粒、纳米碳颗粒和纳米银颗粒。
11.如权利要求10所述的加热器，其中所述导电油墨包含高达70％的负载颗粒。
12.如权利要求11所述的加热器，其中所述导电油墨包含高达60％的负载颗粒。
13.如权利要求12所述的加热器，其中所述导电油墨包含高达50％的负载颗粒。
14.一种制造加热器的方法，其包括：
将具有多个层的导电油墨结构增材制造到柔性基板上以制造加热元件；
将所述加热元件与一条或多条引线电连接；以及
将具有所述加热元件的所述柔性基板附接到部件表面。
15.如权利要求14所述的方法，其还包括包封所述加热元件。
16.如权利要求14所述的方法，其中所述导电油墨结构包括碳颗粒、纳米碳颗粒或纳米银颗粒。
17.如权利要求14所述的方法，其中增材制造包括丝网打印、喷墨打印或气溶胶喷射打印。
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