CN112643049A - 一种热电偶瞬态热流传感器的3d打印制作方法及装置 - Google Patents

一种热电偶瞬态热流传感器的3d打印制作方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，包括对热电偶瞬态热流传感器进行逐层堆积黏结的3D打印机，所述热电偶瞬态热流传感器包括正极区域、负极区域和绝缘区域；所述3D打印机包括用于安装设备并形成密闭打印空间的打印机主体，并且所述打印机主体的内部安装有用于水平移动的打印器驱动平台，通过使用3D打印机对热电偶瞬态热流传感器进行逐层打印成型，并在3D打印机内安装电极喷头设定单元、绝缘喷头设定单元和绝缘层厚度设定单元，使得3D打印机可以对逐层打印的正极区域和负极区域进行形状和面积的设定，由此可调整绝缘层的厚度和长度，从而调整打印成热电偶瞬态热流传感器的导通性能。

Description

一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法及装置
技术领域
本发明涉及热电偶瞬态热流传感器技术领域，具体涉及一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法及装置。
背景技术
热电偶瞬态热流传感器是一种利用不同电极材料的Seebeck效应在不同温度梯度作用下形成电动势并予以测量，进而反演温度和热流的一种实验元器件，主要用于航空航天高超声速飞行器气动实验、高超声速流动相关实验等，具有响应快、量程大、精度高、鲁棒性强等特点。
现有的热电偶瞬态热流传感器一般是通过手工制作，单个生产的方式进行制作，因此制作热电偶瞬态热流传感器的效率较低，且多个同一批次、不同批次制作出的热电偶瞬态热流传感器一致性不理想。
由于热电偶瞬态热流传感器分为正极区域、负极区域和绝缘层，且为保障绝缘层能隔绝正极区域和负极区域的电通量，因此绝缘层的形状和厚度需配合正极区域和负极区域的形状和面积，因此传统的热电偶瞬态热流传感器为便于手工制作，一般是使用筒状和芯状的同轴结构，难以根据需求重新设定热电偶瞬态热流传感器的截面结构。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法及装置，以解决现有技术中的手工制作的效率较低且一致性不理想，以及热电偶瞬态热流传感器的截面结构难以设定的问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
本发明提供了一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，包括如下步骤：
步骤100、建立3D打印的控制温度和压力烧结正极区域打印器、负极区域打印器和绝缘层打印器的相对坐标系；
步骤200、预先设定3D打印机烧结正极区域形状和负极区域形状，并实时计算正极区域面积和负极区域面积的比例，根据计算结果选择进行下移步骤或是发出警报；
步骤300、绝缘层打印形状与正极区域形状和负极区域形状交互，绝缘层打印厚度与正极区域面积和负极区域面积交互，将正极区域和负极区域的形状和面积代入处理单元得出绝缘层的形状和厚度并打印；
步骤400、正极打印器对正极金属颗粒输送、负极打印器对负极金属颗粒筛选，以及绝缘层打印器对绝缘层颗粒材料进行输送；
步骤500、3D打印机对打印区域封闭，从而实时调整3D打印的温度和压力。
作为本发明的一种优选方案，在步骤300中，正极区域、负极区域和绝缘层的打印具体步骤为：
步骤301、对比正极区域和负极区域设定的打印形状生成绝缘层的打印形状；
步骤302、对比正极区域和负极区域设定的打印面积，并经过算法处理后调整绝缘层的打印厚度；
步骤303、分别沿绝缘层的两侧打印正极区域和负极区域，并且正极区域、负极区域和绝缘层整体形成圆形结构。
作为本发明的一种优选方案，在步骤301中，正极材料和负极材料的面积比例为：
正极材料面积/负极材料面积＝α，其中α∈(0.5-2)。
作为本发明的一种优选方案，在步骤302中，绝缘层的厚度计算方式为：
绝缘层厚度＝正极区域和负极区域整体的直径Xβ，其中β∈(0.3％-2％)。
本发明还提供了一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，包括对热电偶瞬态热流传感器进行逐层堆积黏结的3D打印机，所述热电偶瞬态热流传感器包括正极区域、负极区域和绝缘区域；
所述3D打印机包括用于安装设备并形成密闭打印空间的打印机主体，并且所述打印机主体的内部安装有用于水平移动的打印器驱动平台，所述打印器驱动平台上安装有分别用于打印区域、负极区域和绝缘层区域的激光烧结打印器，所述打印机主体的外侧安装有用于向所述激光烧结打印器分类供给粉料的粉料供给装置，所述打印机主体的内部安装有用于配合所述激光烧结打印器打印的温控基座。
作为本发明的一种优选方案，所述打印器驱动平台包括安装在所述打印机主体内部的并联机械手，以及安装在所述并联机械手上用于安装正极打印头、负极打印头和绝缘层打印头的喷头安装平台，所述喷头安装平台通过所述并联机械手驱动朝向任意方向位移。
作为本发明的一种优选方案，所述激光烧结打印器包括用打印正极区域的正极打印喷头、用于打印负极区域的负极打印喷头和用于打印绝缘层的绝缘层喷头，并且所述正极打印喷头、所述负极打印喷头和所述绝缘层喷头的内部安装有用于实时接收和上传信号的信号接收单元。
作为本发明的一种优选方案，所述粉料供给装置的内部安装有用于输送正极金属颗粒的正极材料输送器、用于输送负极金属颗粒的负极材料输送器，以及用于输送绝缘层颗粒的绝缘层材料输送器。
作为本发明的一种优选方案，所述打印机主体的内部分别安装有电极喷头设定单元、绝缘喷头设定单元和绝缘层厚度设定单元；
所述电极喷头设定单元用于设定所述正极打印喷头和所述负极打印喷头打印正极、负极的形状和正极、负极的打印面积；
所述绝缘喷头设定单元用于对比所述正极打印喷头和所述负极打印喷头的打印形状并控制所述绝缘层喷头的打印形状；
所述绝缘层厚度设定单元通过对比换算所述正极打印喷头和所述负极打印喷头的打印面积控制所述绝缘层喷头打印绝缘层的厚度。
作为本发明的一种优选方案，所述正极材料输送器和所述负极材料输送器用于输送直径0.5-20um的金属颗粒，所述绝缘层材料输送器用于输送直径0.5-1um的绝缘层颗粒。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
(1)本发明通过将热电偶瞬态热流传感器设计为可逐层打印的结构，并在3D打印机内安装分别烧结正极金属材料、负极金属材料和绝缘层材料的打印头，使得3D打印机打印后形成单层的热电偶瞬态热流传感器，因此可通过3D打印机逐层加工出热电偶瞬态热流传感器整体；
(2)本发明通过使用3D打印机对热电偶瞬态热流传感器进行逐层打印成型，并在3D打印机内安装电极喷头设定单元、绝缘喷头设定单元和绝缘层厚度设定单元，使得3D打印机可以对逐层打印的正极区域和负极区域进行形状和面积的设定，由此可调整绝缘层的厚度和长度，从而调整打印成热电偶瞬态热流传感器的导通性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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示例性的，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引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例提供打印机装置的结构示意图。
图2为本发明实施例提供整体的流程图。
图3为本发明实施例提供传感器的截面图。
图中的标号分别表示如下：
1-打印机主体；2-打印器驱动平台；3-激光烧结打印器；4-粉料供给装置；5-温控基座；
11-电极喷头设定单元；12-绝缘喷头设定单元；13-绝缘层厚度设定单元；
21-并联机械手；22-喷头安装平台；
31-正极打印喷头；32-负极打印喷头；33-绝缘层喷头；
41-正极材料输送器；42-负极材料输送器；43-绝缘层材料输送器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1至图3所示，本发明提供了一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，包括对热电偶瞬态热流传感器进行逐层堆积黏结的3D打印机，热电偶瞬态热流传感器包括正极区域、负极区域和绝缘区域；
3D打印机包括用于安装设备并形成密闭打印空间的打印机主体1，并且打印机主体1的内部安装有用于水平移动的打印器驱动平台2，打印器驱动平台2上安装有分别用于打印区域、负极区域和绝缘层区域的激光烧结打印器3，打印机主体1的外侧安装有用于向激光烧结打印器3分类供给粉料的粉料供给装置4，打印机主体1的内部安装有用于配合激光烧结打印器3打印的温控基座5。
本实施例通过将热电偶瞬态热流传感器设计为可逐层打印的结构，并在3D打印机内安装分别烧结正极金属材料、负极金属材料和绝缘层材料的打印头，使得3D打印机打印后形成单层的热电偶瞬态热流传感器，因此可通过3D打印机逐层加工出热电偶瞬态热流传感器整体；
另外，本发明通过使用3D打印机对热电偶瞬态热流传感器进行逐层打印成型，并在3D打印机内安装电极喷头设定单元、绝缘喷头设定单元和绝缘层厚度设定单元，使得3D打印机可以对逐层打印的正极区域和负极区域进行形状和面积的设定，由此可调整绝缘层的厚度和长度，从而调整打印成热电偶瞬态热流传感器的导通性能。
打印器驱动平台2包括安装在打印机主体1内部的并联机械手21，以及安装在并联机械手21上用于安装激光烧结打印器3的喷头安装平台22，喷头安装平台22通过并联机械手21驱动朝向任意方向位移。
激光烧结打印器3包括用打印正极区域的正极打印喷头31、用于打印负极区域的负极打印喷头32和用于打印绝缘层的绝缘层喷头33，并且正极打印喷头31、负极打印喷头32和绝缘层喷头33的内部安装有用于实时接收和上传信号的信号接收单元。
粉料供给装置4的内部安装有用于输送正极金属颗粒的正极材料输送器41、用于输送负极金属颗粒的负极材料输送器42，以及用于输送绝缘层颗粒的绝缘层材料输送器43。
打印机主体1的内部分别安装有电极喷头设定单元11、绝缘喷头设定单元12和绝缘层厚度设定单元13；
电极喷头设定单元11用于设定正极打印喷头31和负极打印喷头32打印正极、负极的形状和正极、负极的打印面积；
绝缘喷头设定单元12用于对比正极打印喷头31和负极打印喷头32的打印形状并控制绝缘层喷头33的打印形状；
绝缘层厚度设定单元13通过对比换算正极打印喷头31和负极打印喷头32的打印面积控制绝缘层喷头33打印绝缘层的厚度。
正极材料输送器41和负极材料输送器42用于输送直径0.5-20um的金属颗粒，绝缘层材料输送器43用于输送直径0.5-1um的绝缘层颗粒。
本实施例还包括一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，包括如下步骤：
步骤100、建立3D打印的控制温度和压力烧结正极区域打印器、负极区域打印器和绝缘层打印器的相对坐标系。
步骤200、预先设定3D打印机烧结正极区域形状和负极区域形状，并实时计算正极区域面积和负极区域面积的比例，根据计算结果选择进行下移步骤或是发出警报。
步骤300、绝缘层打印形状与正极区域形状和负极区域形状交互，绝缘层打印厚度与正极区域面积和负极区域面积交互，将正极区域和负极区域的形状和面积代入处理单元得出绝缘层的形状和厚度并打印。
在步骤300中，正极区域、负极区域和绝缘层的打印具体步骤为：
步骤301、对比正极区域和负极区域设定的打印形状生成绝缘层的打印形状。
在步骤301中，正极材料和负极材料的面积比例为：
正极材料面积/负极材料面积＝α，其中α∈(0.5-2)。
步骤302、对比正极区域和负极区域设定的打印面积，并经过算法处理后调整绝缘层的打印厚度。
在步骤302中，绝缘层的厚度计算方式为：
绝缘层厚度＝正极区域和负极区域整体的直径Xβ，其中β∈(0.3％-2％)。
步骤303、分别沿绝缘层的两侧打印正极区域和负极区域，并且正极区域、负极区域和绝缘层整体形成圆形结构。
步骤400、正极打印器对正极金属颗粒输送、负极打印器对负极金属颗粒筛选，以及绝缘层打印器对绝缘层颗粒材料进行输送。
步骤500、3D打印机对打印区域封闭，从而实时调整3D打印的温度和压力。
在3D打印机打印热电偶瞬态热流传感器前，需保障粉料供给装置4的正极材料输送器41、负极材料输送器42和绝缘层材料输送器43能正常供料，之后3D打印机根据上述步骤设定热电偶瞬态热流传感器截面的正极区域、负极区域的形状和面积，并在绝缘喷头设定单元12和绝缘层厚度设定单元13的设定下控制绝缘层喷头33在温控基座5上先打印出单层的绝缘层，之后由电极喷头设定单元11控制正极打印喷头31和负极打印喷头32分别在单层的绝缘层两侧打印出正极区域和负极区域，此时由单层正极区域、单层负极区域和单层的绝缘层组成整体为圆形的单层传感器，之后通过3D打印机在单层传感器上逐层打印堆积，使得热电偶瞬态热流传感器被整体打印出。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (10)

1.一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤100、建立3D打印的控制温度和压力烧结正极区域打印器、负极区域打印器和绝缘层打印器的相对坐标系；
步骤200、预先设定3D打印机烧结正极区域形状和负极区域形状，并实时计算正极区域面积和负极区域面积的比例，根据计算结果选择进行下移步骤或是发出警报；
步骤300、绝缘层打印形状与正极区域形状和负极区域形状交互，绝缘层打印厚度与正极区域面积和负极区域面积交互，将正极区域和负极区域的形状和面积代入处理单元得出绝缘层的形状和厚度并打印；
步骤400、正极打印器对正极金属颗粒输送、负极打印器对负极金属颗粒筛选，以及绝缘层打印器对绝缘层颗粒材料进行输送；
步骤500、3D打印机对打印区域封闭，从而实时调整3D打印的温度和压力。
2.根据权利要求1所述的一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，其特征在于，在步骤300中，正极区域、负极区域和绝缘层的打印具体步骤为：
步骤301、对比正极区域和负极区域设定的打印形状生成绝缘层的打印形状；
步骤302、对比正极区域和负极区域设定的打印面积，并经过算法处理后调整绝缘层的打印厚度；
步骤303、分别沿绝缘层的两侧打印正极区域和负极区域，并且正极区域、负极区域和绝缘层整体形成圆形结构。
3.根据权利要求2所述的一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，其特征在于，在步骤301中，正极材料和负极材料的面积比例为：
正极材料面积/负极材料面积＝α，其中α∈(0.5-2)。
4.根据权利要求2所述的一种热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法，其特征在于，在步骤302中，绝缘层的厚度计算方式为：
绝缘层厚度＝正极区域和负极区域整体的直径Xβ，其中β∈(0.3％-2％)。
5.一种用于权利要求1-4任一项所述热电偶瞬态热流传感器的3D打印制作方法的3D打印装置，包括对热电偶瞬态热流传感器进行逐层堆积黏结的3D打印机，其特征在于：所述热电偶瞬态热流传感器包括正极区域、负极区域和绝缘区域；
所述3D打印机包括用于安装设备并形成密闭打印空间的打印机主体(1)，并且所述打印机主体(1)的内部安装有用于水平移动的打印器驱动平台(2)，所述打印器驱动平台(2)上安装有分别用于打印区域、负极区域和绝缘层区域的激光烧结打印器(3)，所述打印机主体(1)的外侧安装有用于向所述激光烧结打印器(3)分类供给粉料的粉料供给装置(4)，所述打印机主体(1)的内部安装有用于配合所述激光烧结打印器(3)打印的温控基座(5)。
6.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于：所述打印器驱动平台(2)包括安装在所述打印机主体(1)内部的并联机械手(21)，以及安装在所述并联机械手(21)上用于安装激光烧结打印器(3)的喷头安装平台(22)，所述喷头安装平台(22)通过所述并联机械手(21)驱动朝向任意方向位移。
7.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于：所述激光烧结打印器(3)包括用打印正极区域的正极打印喷头(31)、用于打印负极区域的负极打印喷头(32)和用于打印绝缘层的绝缘层喷头(33)，并且所述正极打印喷头(31)、所述负极打印喷头(32)和所述绝缘层喷头(33)的内部安装有用于实时接收和上传信号的信号接收单元。
8.根据权利要求5所述的3D打印装置，其特征在于：所述粉料供给装置(4)的内部安装有用于输送正极金属颗粒的正极材料输送器(41)、用于输送负极金属颗粒的负极材料输送器(42)，以及用于输送绝缘层颗粒的绝缘层材料输送器(43)。
9.根据权利要求7所述的3D打印装置，其特征在于：所述打印机主体(1)的内部分别安装有电极喷头设定单元(11)、绝缘喷头设定单元(12)和绝缘层厚度设定单元(13)；
所述电极喷头设定单元(11)用于设定所述正极打印喷头(31)和所述负极打印喷头(32)打印正极、负极的形状和正极、负极的打印面积；
所述绝缘喷头设定单元(12)用于对比所述正极打印喷头(31)和所述负极打印喷头(32)的打印形状并控制所述绝缘层喷头(33)的打印形状；
所述绝缘层厚度设定单元(13)通过对比换算所述正极打印喷头(31)和所述负极打印喷头(32)的打印面积控制所述绝缘层喷头(33)打印绝缘层的厚度。
10.根据权利要求8所述的3D打印装置，其特征在于：所述正极材料输送器(41)和所述负极材料输送器(42)用于输送直径0.5-20um的金属颗粒，所述绝缘层材料输送器(43)用于输送直径0.5-1um的绝缘层颗粒。
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