CN111060336B - 一种用于3d打印制备多孔冰层的地面实验系统及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统，包括冷环境箱，蠕动泵，三轴导轨，电脑主机，压电喷雾器，控制单元；所述压电喷雾器可根据实际使用需求进行更换，通过压电喷雾器微孔大小、数量，打孔范围，振动频率精确调节喷雾流量和液滴平均粒径；控制单元控制冷环境箱温度，滑轨运动，蠕动泵流量，压电喷雾器频率。本发明可在平板或不规则曲面表面3D打印具有稳定物理属性冰层，用以进行地面防除冰实验。本发明具有操作简便，结构简单，安装便捷，能耗低，维护方便且效果明显等优势，能有效提高地面冷环境防除冰实验质量。
Description
技术领域
本发明涉及飞机防除冰领域，尤其涉及一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统。
背景技术
飞机结冰一直是航空安全的主要威胁之一，为了研究飞机防除冰建立地面冷环境实验台。地面防除冰实验对冰层物理属性要求较高，主要通过控制风道内风速、结冰温度、液态水含量(LWC)、平均粒径大小(MVD)来制备不同孔隙率及孔隙大小的冰层。冰层物理属性直接影响冰层与壁面粘附力、冰层强度进而影响防除冰系统效率。
目前国内外主要采用结冰风洞或地面冷环境箱制备符合要求的冰层，结冰风洞实验虽能制备满足要求的冰层，但由于实验周期长，费用高，很难大规模用于飞机防除冰实验；地面冷环境箱采用气液混合喷头通过控制气液压力及混合比制备冰层，该方法制备的冰层均匀性差且存在冰层物性难以控制的缺点。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统及对应的实验方法。此系统安装操作简便，效果明显，精度高，可有效提高冰层制备精度。
技术方案：为达到上述目的，本发明用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统可采用如下技术方案：
一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统，包括冷环境箱、位于冷环境箱内的三轴位移台、安装在支架上的压电喷雾器、位于压电喷雾器下方的结冰基板；所述压电喷雾器包括蓄水箱，该蓄水箱的底壁为金属片，金属片上设有微孔区域，该微孔区域内开有若干与蓄水箱内部连通的微孔，金属片底部设有围绕该微孔区域安装的压电陶瓷。
进一步的，还包括与蓄水箱连接的蠕动泵。
进一步的，所述结冰基板为平板形或者曲面形。
进一步的，还包括低温环境箱，该低温环境箱为实验提供可控温实验环境。
进一步的，低温冷环境箱内设置温度传感器用于监测环境温度，并安装低温监控摄像装置用于观测结冰量。
进一步的，还包括连接3D打印台的电源。
进一步的，还包括控制单元，通过控制单元控制3D打印速度、面积、环境温度及喷雾流量。
进一步的，蠕动泵与压电喷雾器通过软管相连，用于控制喷雾量。
进一步的，所述压电喷雾器与三轴位移台通过连接件进行连接。
有益效果：相对于现有技术，本发明通过控制压电喷雾器孔径、孔数和激发频率可精确控制平均粒径大小及液态水含量以在低温环境下迅速将自压电喷雾器喷出的粒状的液态水在结冰基板上形成冰层。
而本发明提供的实验方法即能够通过上述实验系统打印出需要的冰层，该实验方法可采用以下技术方案：
根据结冰所需水滴平均粒径大小选择对应的压电喷雾器，该压电喷雾器中的微孔区域大小、微孔孔径及微孔数量与结冰所需水滴平均粒径大小相对应；将压电喷雾器安装在三轴位移台上，通过控制三轴位移台执行端滑台移动速度及压电喷雾器喷雾参数在低温冷环境内在结冰基板上均匀打印冰层；并通过执行端滑台的周期往复移动带动压电喷雾器打印出预设厚度的冰层。
进一步的，通过调节蠕动泵流量控制喷雾量。
进一步的，通过提供控制单元设置滑轨移动速度、冷环境温度、喷雾量。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明可精确控制喷雾范围及水滴平均粒径大小，喷雾范围由打孔范围确定，直径小于5mm，且喷头无水滴扩散，水滴平均粒径大小由微孔直径和振动频率控制，微孔直径尺寸5—60μm，振动频率20KHz-130KHz；
2.本发明采用蠕动泵进行供水，供水采用单脉冲循环供水方式，根据喷水量调节单次供水量，单次供水量一般小于压电喷雾器蓄水池容量，流量精度小于1mL/s；
3.本发明采用可控温低温实验箱，该实验箱采用压缩机制冷最低温度可达-60℃，控温精度±0.5℃；
4.本发明采用三轴电动滑台控制冰层打印区域及厚度，移动速度调节范围0.5mm/s-100mm/s，打印冰层尺寸400X400X500mm；
5.控制单元同时控制蠕动泵流量、喷雾器振动频率、三轴电动台移动速度、打印冰层区域和低温实验箱温度；
6.本发明控制单元内嵌扫频电路板可根据雾化器固有频率进行自动扫频，达到喷雾量最大值；
7.本发明制备的冰层孔隙大小及孔隙率可控，不同物性冰层可用于机械除冰实验、冰层粘附力实验和超声探测实验。
本发明具有操作简便，结构简单，安装便捷，精度高，维护方便且效果明显等优势，能有效提高地面冷环境防除冰实验冰层质量。
附图说明
图1是3D打印制备多孔冰层的地面实验系统结构示意图；
图2是压电喷雾器示意图；
图3是雾化钢片底部示意图。
图中，1-冷环境箱，2-输水软管，3-蠕动泵，4-三轴导轨，5-电脑主机，6-连接件，7-压电喷雾器，8-结冰基板，9-控制单元，10-储水箱，11-雾化钢片，12-压电陶瓷，13-钢片，14-微孔区域，15-喷水微孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明公开了一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统，为使本发明的实质性特点及其所具有的实用性更易于理解，以下结合附图即若干具有实施例对本发明的技术方案进一步的详细说明。但以下关于实施例的描述及说明对本发明保护范围不构成任何限制。
请参阅图1所示，本发明公开了一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统，包括冷环境箱1、蠕动泵3、三轴导轨4、压电喷雾器7、控制单元9。其中结冰基板8即3D打印冰层时机体结构，实验开始前在电脑主机5上根据基体结构设计3D打印冰层时导轨运行程序，该程序包含三轴导轨三维运行轨迹和位移速度。其中压电喷雾器通过连接件6固定在三轴导轨Z轴上，可根据结冰所需水滴平均粒径大小(MVD)对压电喷雾器进行更换。压电喷雾器结构如图2及图3所示，包括储水箱10，金属片(本实施方式中为雾化钢片11)，压电陶瓷12。压电陶瓷12为环状，压电陶瓷12安装在钢片11底部并围绕微孔区域14。喷雾时压电陶瓷轴向振动带动雾化钢片通过压雾化钢片上微孔变形将水滴喷出。喷雾面积通过雾化钢片上微孔区域14面积决定，喷雾平均粒径通过喷雾微孔15孔径控制。
控制单元9置于冷环境箱外部。在本实施方式中，在电脑主机5上设置实验参数，实验参数通过网线传递给控制单元，控制单元为系统供电并控制冷环境箱温度，蠕动泵流量，压电喷雾器振动频率，滑轨运动。
本系统应用在具体的冰层3D打印实验时，结冰喷雾前根据需求选择并安装压电喷雾器，开启电脑主机和为控制单元通电，控制单元与蠕动泵、滑轨、喷雾器、冷环境箱通过线缆连接。系统准备就绪后通过电脑主机设置冷环境温度，待温度达到实验要求并稳定后开始结冰实验。电脑主机将预先编写的滑轨运动程序传输给控制单元，控制单元控制喷雾器振动频率、蠕动泵流量用以调节喷雾液态水平均粒径和液态水含量，冰形通过滑轨运动控制。通过滑轨运动可以在平板和曲面基体上均匀打印冰层。并通过执行端滑台的周期往复移动带动压电喷雾器打印出预设厚度的冰层。通过往复的使冰层结冰至预设的厚度，其原理类似于3D打印原理，即3D打印材料为液态水，但液态水在冷环境下迅速在结冰基板上结冰而形成打印件，并通过往复的打印将打印件的高度提高至预设的数值而形成3D打印的冰层。但该实验系统通过将水的液/固态迅速转化而形成打印冰层，并非常规3D打印中采用的打印材料的硬化，故有别于常规3D打印，而是在为了形成需要的实验用冰层而特有的打印方式。实验时对蠕动泵进口水进行降温处理，再控制压电喷雾器与基体距离以保证水滴在撞击壁面前能够充分过冷。过冷水在撞击基体表面时迅速冻结成冰晶，冰层孔隙率通过过冷水滴平均粒径和冷环境箱温度控制。
通过此实验系统可得到不同孔隙大小、孔隙率冰层，实验所得冰层物理属性接近结冰风洞真实冰层属性，该实验系统可用于机械除冰实验、电加热防除冰实验、结冰探测实验、不同表面粗糙度基体冰层粘附力实验等。在机翼模型表面3D打印不同冰形还可用于带冰翼型流场计算模型建立。
另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (3)
1.一种用于3D打印制备多孔冰层的地面实验系统，其特征在于，包括冷环境箱、位于冷环境箱内的三轴位移台、安装在支架上的压电喷雾器、位于压电喷雾器下方的结冰基板；所述压电喷雾器包括蓄水箱，该蓄水箱的底壁为金属片，金属片上设有微孔区域，该微孔区域内开有若干与蓄水箱内部连通的微孔，金属片底部设有围绕该微孔区域安装的压电陶瓷；还包括与蓄水箱连接的蠕动泵；蠕动泵与压电喷雾器通过软管相连，用于控制喷雾量；压电喷雾器安装在三轴位移台上，通过控制三轴位移台执行端滑台移动速度及压电喷雾器喷雾参数在低温冷环境内在结冰基板上均匀打印冰层；并通过执行端滑台的周期往复移动带动压电喷雾器打印出预设厚度的冰层；根据结冰所需水滴平均粒径大小选择对应的压电喷雾器，该压电喷雾器中的微孔区域大小、微孔孔径及微孔数量与结冰所需水滴平均粒径大小相对应。
2.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：所述结冰基板为平板形或者曲面形。
3.根据权利要求1所述的实验系统，其特征在于：通过提供控制单元设置滑轨移动速度、冷环境温度、喷雾量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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