CN112525945A - 一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人 - Google Patents

一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人，包括以下步骤：建立暖体假人三维模型，根据曲率对暖体假人不同部位进行分区；对所述暖体假人的各个部位分区进行曲面展开；以各个所述曲面的轮廓为边界设计可拉伸柔性均匀加热膜；制作可拉伸柔性均匀加热膜；将所述可拉伸柔性均匀加热膜贴附在所述暖体假人的对应分区部位。本发明采用柔性均匀加热装置，根据人体不同区域的形状设计可拉伸的双层电路，并用硅橡胶材料对可拉伸的双层电路进行曲面封装，保证了暖体假人温度的均匀性。

Description

一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人
技术领域
本发明涉及人体功效学试验设备的技术领域，具体而言，涉及一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人。
背景技术
暖体假人是指具有人体外形，能够模拟人体与环境之间热湿交换的仪器设备,是从20世纪40年代逐渐发展起来的一种新的生物物理试验方法,此项技术已经被广泛应用到服装、建筑、环境、航空航天、消防、交通安全等领域，例如被用于室内环境舒适度的评价和服装热阻的测试等。利用暖体假人代替真人做实验研究可客观地、系统地评价热环境以及预测人体对热环境的生理反应，且在一些比较恶劣、危险的实验环境条件下，利用真人做实验危险系数较高，人身安全得不到保证，就需要用假人代替真人做实验，提高实验安全性。
由于人们对暖体假人认识的提高，暖体假人的应用范围在扩大，功能在不断提高，制作技术亦在不断的改进。作为模拟真实人体与环境热湿交换的暖体假人设备，越能真实模拟人体的生理状态，则意味着实验数据越具有真实性。由于暖体假人各个主要部位均为不可展曲面，传统的加热方式无法对暖体假人表面进行完美的贴敷，所以会产生温度分布不均匀的情况，同时传统的加热丝缠绕方法也无法控制等间距的分布，从而导致暖体假人温度均匀性较差问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法及暖体假人，采用柔性均匀加热装置，根据人体不同区域的形状设计可拉伸的双层电路，并用硅橡胶材料对可拉伸的双层电路进行曲面封装，保证了暖体假人温度的均匀性。
本发明提供了一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法，包括以下步骤：建立暖体假人三维模型，根据曲率对暖体假人不同部位进行分区；对所述暖体假人的各个部位分区进行曲面展开；以各个所述曲面的轮廓为边界设计可拉伸柔性均匀加热膜；制作可拉伸柔性均匀加热膜；将所述可拉伸柔性均匀加热膜贴附在所述暖体假人的对应分区部位。
进一步地，所述可拉伸柔性均匀加热膜包括双层电路。
进一步地，所述制作可拉伸柔性均匀加热膜包括：制作双层电路；采用分层封装工艺封装双层电路。
进一步地，所述双层电路以聚酰亚胺覆铜膜制作而成。
进一步地，所述双层电路的电路形状采用周期重复单胞蛇形构型，边缘也按照曲面轮廓采用蛇形构型进行连接。
进一步地，所述制作双层电路包括：使用激光加工系统，根据材料厚度，设置激光加工系统的参数；先在聚酰亚胺覆铜膜上，激光切割出该双层电路构型的整体结构，再将双层电路的上层铜电路形状与下层聚酰亚胺支撑构型取差集的部分，按照激光系统中的加热剥铜工艺，选择加热参数用离焦工艺加热剥铜处理，在聚酰亚胺支撑构型上方留下上层金属串联电路图。
进一步地，所述采用分层封装工艺封装双层电路包括以下步骤：按照各个分区的展开曲面轮廓，设计内部凹陷轮廓与曲面轮廓匹配的模具；在模具中固化Ecoflex作为基底层；在固化的基底层上放入上述切割完成的双层电路；在基底层与双层电路上，固化Ecoflex封装层。
进一步地，所述内部凹陷的深度为封装层与基底层厚度之和。
进一步地，包括用硅胶表面处理剂与3M胶将可拉伸柔性均匀加热膜贴附在暖体假人的对应分区部位，并在导线端口的圆片位置处进行电路连接。
另一方面，本发明还提供了一种暖体假人，通过上述的基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法制成。
本发明的有益效果：本发明按照曲率对暖体假人的主要部位进行分区，对主要部位分区进行展开，按照展开的平面轮廓图，设计双层可拉伸的电路，可以通过可拉伸电路自身的微小变形，弥补不可展曲面用软件展开的误差；双层电路的下层电路，绝缘的并联PI(聚酰亚胺)电路，可以为上层的串联铜电路提供支撑作用，同时保证拉伸变形后一定程度的等间距分布，从而达到均匀加热的目的。此种平面封装优势在于双层电路上方的封装层厚度可以保持一致，平面封装具有厚度均匀的可控性较好特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为暖体假人的制作方法流程图；
图2为暖体假人的主要部位分区图；
图3为各个部位分区的曲面展开图；
图4为前半脸的双层电路设计图；
图5为后半脸的双层电路设计图；
图6为双层电路的分层封装工艺的流程图；
图7为前半脸和后半脸的模具示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法，具体包括以下步骤：
步骤S1、建立暖体假人三维模型，根据曲率对暖体假人不同部位进行分区。
如图2所示：用三维软件建立暖体假人的三维模型，根据曲率对暖体假人不同部位进行分区，暖体假人为左右对称结构，因此本实施例中将暖体假人分为前半脸、后半脸、前胸、前上腹、后背、后腰、大臂、小臂、前下腹、臀部、大腿、小腿12个部位分区，根据暖体假人的应用环境，还可以在12个部位分区的基础上进一步增加暖体假人的部位分区，例如增加颈部、手部或者足部的部位分区，和/或对12个部位分区进行进一步地细分。
步骤S2、对暖体假人的各个部位分区进行曲面展开。
如图3所示，对步骤S1中所划分的12个部位分区分别进行曲面展开。
步骤S3、以上述各个曲面轮廓为边界设计可拉伸柔性均匀加热膜。
设计能够完全包裹头部的可拉伸柔性均匀加热膜，可拉伸柔性均匀加热膜包括双层电路，双层电路由下层PI支撑构型和上层金属电路构型组成。上层金属电路为串联构型，串联电路各处发热相同，保证温度分布均匀性。下层PI支撑构型为并联构型并且带有中间支撑的网状构型，其可以支撑激光加工出的上层金属电路，并使上层金属电路构型保持特性形状。
本实施例以曲率最大的头部为例，如图4-5所示，分别以前半脸和后半脸的曲面轮廓为边界，设计双层电路尺寸构型，电路形状采用周期重复单胞蛇形构型，边缘也按照曲面轮廓采用蛇形构型进行连接，为了保证最终产品的外表面实现温度均匀性，需要根据单位面积的发热功率以及导线本身力学拉伸性能，确定相邻导线之间的间距、导线宽度、导线厚度等参数，以头部区域为例，相邻导线的最大间距为4mm，最大线宽为1mm，最大厚度为0.1mm。
步骤S4、制作可拉伸柔性均匀加热膜。
步骤S41、制作双层电路。
以PI覆铜膜作为加工材料，该材料上层是铜材料，下层是聚酰亚胺材料，中间为胶粘剂；使用激光加工系统，根据材料厚度，设置激光加工系统不同的功率，速度，加工遍数等参数；先在PI覆铜膜上，激光切割出该双层电路构型的整体结构，再将双层电路的上层铜电路形状与下层PI支撑构型取差集的部分，按照激光系统中的加热剥铜工艺，选择加热参数用离焦工艺加热剥铜处理，在PI支撑构型上方留下上层金属串联电路图。
步骤S42、采用分层封装工艺封装双层电路。
双层电路的分层封装工艺的流程图如图6所示，具体步骤如下：
步骤S421、按照分区的展开曲面轮廓图，设计内部凹陷轮廓与曲面轮廓匹配的模具。
内部凹陷的深度为封装层与基底层厚度之和，模具优选使用3d打印技术进行加工，前半脸和后半脸的模具如图7所示。
步骤S422、在模具中固化Ecoflex作为基底层。
本实施例中优选Ecoflex的固化厚度为1mm，模具内部底面积已知，可通过体积和Ecoflex密度计算所需的Ecoflex质量。双层电路设置于基底层与封装层之间，双层电路在拉伸贴敷中产生屈曲变形，可以被基底层与封装层约束。如果没有基底层只有封装层，拉伸的电路屈曲翘起，封装层硅胶无法完美贴敷假人表面，导致电路与已固化的硅胶封装层中间有空气，局部热阻变大导致温度不均匀。
本实施例中选用Ecoflex 00-30，将Ecoflex 00-30的A剂和B剂按 1:1比例称量，倒入一次性小号量杯中，手动搅拌至均匀，缓慢倒入平面模具中，并用电子天平控制倒入的硅胶总量；Ecoflex固化时，将平面模具移入真空烘箱内进行真空脱泡与恒温加热处理，固化1小时。
步骤S423、在固化的基底层上放入上述切割完成的双层电路。
步骤S424、在基底层与双层电路上，固化Ecoflex封装层。
本实施例中优选Ecoflex的固化厚度为1mm，本实施例中采用分层封装工艺，分层封装工艺相对于整体封装工艺的优势在于：整体封装工艺无法保证较薄的电路平整封装在硅胶层中，从而会影响温度均匀性。不平整电路到封装层上表面距离不同，距离越远温度越低，从而无法实现均匀加热。本申请中先固化基底层，放入双层电路后，后固化厚度均匀的封装层，因为基底与封装层材料一致，中间不会出现界面问题，同时平面固化保证了电路到封装层上表面距离处处相等。
步骤S5、将可拉伸柔性均匀加热膜贴附在暖体假人的对应分区部位。
用硅胶表面处理剂与3M胶将可拉伸柔性均匀加热膜贴附在暖体假人的对应分区部位，并在导线端口圆片位置处进行电路连接。
实施例2
一种暖体假人，采用实施例1所述的制作方法制作而成。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
建立暖体假人三维模型，根据曲率对暖体假人不同部位进行分区；
对所述暖体假人的各个部位分区进行曲面展开；
以各个所述曲面的轮廓为边界设计可拉伸柔性均匀加热膜；
制作可拉伸柔性均匀加热膜；
将所述可拉伸柔性均匀加热膜贴附在所述暖体假人的对应分区部位。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述可拉伸柔性均匀加热膜包括双层电路。
3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述制作可拉伸柔性均匀加热膜包括：制作双层电路；采用分层封装工艺封装双层电路。
4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述双层电路聚酰亚胺覆铜膜制作而成。
5.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述双层电路的电路形状采用周期重复单胞蛇形构型，边缘也按照曲面轮廓采用蛇形构型进行连接。
6.根据权利要求4所述的制作方法，其特征在于，所述制作双层电路包括：使用激光加工系统，根据材料厚度，设置激光加工系统的参数；先在聚酰亚胺覆铜膜上，激光切割出该双层电路构型的整体结构，再将双层电路的上层铜电路形状与下层聚酰亚胺支撑构型取差集的部分，按照激光系统中的加热剥铜工艺，选择加热参数用离焦工艺加热剥铜处理，在聚酰亚胺支撑构型上方留下上层金属串联电路图。
7.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述采用分层封装工艺封装双层电路包括以下步骤：按照各个分区的展开曲面轮廓，设计内部凹陷轮廓与曲面轮廓匹配的模具；在模具中固化Ecoflex作为基底层；在固化的基底层上放入上述切割完成的双层电路；在基底层与双层电路上，固化Ecoflex封装层。
8.根据权利要求6所述的制作方法，其特征在于，所述内部凹陷的深度为封装层与基底层厚度之和。
9.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，包括用硅胶表面处理剂与3M胶将可拉伸柔性均匀加热膜贴附在暖体假人的对应分区部位，并在导线端口的圆片位置处进行电路连接。
10.一种暖体假人，其特征在于，通过权利要求1-9任一所述的基于柔性可拉伸加热膜的暖体假人制作方法制成。
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