CN113352428B - 一种基于3d打印的光纤环外壳及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于3D打印的光纤环外壳及其制造方法，该方案包括设有空腔的壳体，壳体上设有多个加注口；空腔内设有晶格支撑结构，气凝胶粉末充斥于空腔内，制造方法包括以下步骤：生成壳体的三维模型；基于设计受力方向在壳体的空腔内增加对应的晶格支撑结构；对增加晶格支撑结构的壳体进行网格划分；依据壳体的材料参数、壳体的固定装配面及受力参数进行仿真计算；经过多次收敛计算后，优化晶格支撑结构得到优化后的壳体模型；将壳体模型导入3D打印机进行打印；通过3D打印机制造生成光纤环外壳；对生成光纤环外壳的加注口进行气凝胶粉末灌注；灌注完成后对加注口进行密封处理，本发明具有隔温性能好、轻量化兼顾强度及制造方便的优点。

Description

一种基于3D打印的光纤环外壳及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤技术领域，具体涉及一种基于3D打印的光纤环外壳及其制造方法。

背景技术

光纤环是光纤陀螺仪最重要的组成部分之一，激光器在起点发射激光，通过光纤环内的光纤传导到陀螺仪的电路中，从而实现导航的功能。但因光纤环内的光纤长度基本都在百米以上，再加上各种光学元器件对温度变化非常敏感，容易因温度变化积累误差，所以让光纤环及整个陀螺仪外壳保证恒定温度能对陀螺仪成品性能提高有许多帮助。

然而现有的干涉型光纤陀螺仪的光纤环外壳大多采用金属外壳，因为外壳需要薄壁结构，所以只能使用CNC加工的方式生产。由于金属导热性好，且是薄壁零件，所以容易把外部的温度传导到光纤环及各种光学元器件内，造成陀螺仪误差增大。

因此现有技术也有用陀螺仪外壳来阻止热量传导到光纤环外壳的方法来减少光纤环的温度变化，例如使用隔热材料或涂层包围陀螺仪外壳表面或光纤环外壳表面。隔热材料与壳体本身的连接强度会不如之前。在一些振动和冲击比较严苛的工况下，二次粘接的隔热材料容易磨损或脱落，降低了产品的可靠性。

综上，亟待一种可保证轻量化的同时又具备相当好的隔热性能的光纤环外壳及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种基于3D打印的光纤环外壳及其制造方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于3D打印的光纤环外壳包括设有空腔的壳体，所述壳体上设有用于对空腔内填充气凝胶粉末的多个加注口；所述空腔内设有用于支撑强化空腔的晶格支撑结构，所述气凝胶粉末充斥于空腔内；所述晶格支撑结构和壳体通过3D打印制造而成。

工作原理及有益效果：1、现有技术使用铝合金型材切割成大致毛坯，然后使用机械加工的方式去除绝大部分材料，造成材料浪费，成本增加。薄壁结构虽然可以减轻重量，但本身的隔热性能差，热量容易传导到外壳内部，金属的热传导率高，进一步加速了热量传导，而本发明的壳体通过3D打印制造而成，可以生成带有空腔以及晶格支撑结构的复杂形状，无需额外的打孔操作，加工更加方便，且整体性显著提高，整体强度更高，通过气凝胶粉末来隔绝热量，原因是气凝胶粉末的导热率远远低于铝合金，因此可以显著提升隔热性能，再保证了隔热性能的情况下，还保证了轻量化并兼顾强度；

2、温度传导主要有3种方式，传导，辐射和对流。在光纤陀螺仪的工况下，热量主要是通过装配连接面传导的方式进入光纤环内的。所以需要尽量隔绝热量的传导。中空的结构(空腔)可以让热传导变为热对流，又进一步降低了热交换的速度。空气占气凝胶成分的95％以上，所以导热率与空气差不多，都非常的低。但气凝胶属于多胞固体的一种，大量空气被气凝胶的晶格固定，无法自由流动，这就意味着热量无法通过对流传递，在实际应用中隔热效果比空气更好，进一步提升了隔热性能。

进一步地，每个所述加注口在气凝胶粉末填充完之后通过密封胶或密封件密封处理。此设置，可很方便地堵住加注口，防止气凝胶粉末的漏出，导致隔热性能变差。

进一步地，所述壳体材料为氧化锆。氧化锆又称二氧化锆，化学性质不活泼，且具有高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，使它成为重要的耐高温材料、陶瓷绝缘材料和陶瓷遮光剂，亦是人工钻的主要原料，因此作为3D打印的原理能够方便地打印出壳体，使得壳体具有氧化锆的性能，其导热系数远远低于铝合金，相当于普通金属的1％～5％，配合气凝胶粉末可显著提升隔热性能，利用空腔来降低质量，利用晶格支撑结构来增强强度，利用气凝胶粉末来提升隔热性能，多方面结合使得本发明同时兼顾隔热性能好、强度高、轻量化及加工方便的优点，有利于光纤陀螺体积的小型化发展。

进一步地，所述气凝胶粉末的材料包括二氧化硅和空气。二氧化硅的导热系数比铝合金以及氧化锆更低，基本只有0.025W/mk，因此可显著提升壳体的隔热性能，且形成的气凝胶粉末密度很小，大约只有0.1g/cm^3，对于壳体的轻量化有很大帮助。

进一步地，每个所述加注口均设于壳体的非受力面上。由于开设加注口对于壳体的强度有所影响，因此将其设置在壳体的非受力面上可很好地避免受力面的强度损失问题发生。

进一步地，所述加注口数量为四个，其中两个对称设于壳体内圈壁上，剩余两个对称设于壳体顶部上壁。此设置，在多次试验后，确定了最佳的加注口数量，保证了强度损失最小，又能够保证夹住的气凝胶粉末更加均匀，从而提升隔热效果，使得壳体整体的隔热能力更加均匀。当然根据受力面分析，还可以设置在其他面上。

进一步地，所述气凝胶粉末的粒径为50微米，粒径分布D50。采用此参数的气凝胶粉末最为适合。

一种光纤环外壳制造方法包括以下步骤：

S100、生成壳体的三维模型；

S200、基于设计受力方向在壳体的空腔内增加对应的晶格支撑结构；

S300、对增加晶格支撑结构的壳体进行网格划分；

S400、依据壳体的材料参数、壳体的固定装配面及受力参数进行仿真计算；

S500、经过多次收敛计算后，优化晶格支撑结构得到优化后的壳体模型；

S600、将所述壳体模型导入3D打印机进行打印；

S700、通过3D打印机制造生成光纤环外壳；

S800、对所述生成光纤环外壳的加注口进行气凝胶粉末灌注；

S900、灌注完成后对加注口进行密封处理。

通过上述步骤，可根据设计的受力方向得到最优的模型，然后通过现有的3D打印机直接打印出来，再进行气凝胶粉末灌注，最后密封加注口即可，操作方便，可以很轻松地得到强度高、轻量化且隔热性能低的壳体，而且只需进行一次计算过程即可使用3D打印机批量生产，无需像传统机械加工需要减材制造，省去了很多的工序步骤，显著提升了加工效率。

进一步地，S810、在气凝胶粉末灌注时，将所述光纤环外壳置于振幅1～5mm，频率100～500HZ的平台上，当灌注压力达到0.1～0.5Mpa时，无法继续灌注气凝胶即完成气凝胶灌注。此方案，可保证充入足够的气凝胶粉末，保证其隔热性能，也是的气凝胶粉末可以更加均匀地分布于空腔内。

进一步地，所述材料参数至少包括密度，拉伸强度，压缩强度及杨氏模量。采用上述参数，可以更加方便地仿真出壳体的最优模型，得到的结果更加接近实际情况。

进一步地，所述3D打印机采用纳米颗粒喷墨3D打印机。可实现大规模高效生产，产品的精度更高，具有前所未有的细节，有用高质量表面和精确度，且不会影响产量和制造时间。

附图说明

图1是本发明壳体的立体图；

图2是本发明壳体的剖面图；

图3是图2中A的放大图；

图4是本发明方法的流程图。

图中，1、壳体；2、空腔；3、加注口；4、晶格支撑结构。

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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员应理解的是，在本发明的披露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。

如图1-3所示，本基于3D打印的光纤环外壳包括设有空腔2的壳体1，所述壳体1上设有用于对空腔2内填充气凝胶粉末的多个加注口3，其中壳体1通过现有的纳米颗粒喷墨3D打印机打印而成，采用XJet Carmel 1400C 3D打印机，使用的陶瓷纳米颗粒墨水以密封墨盒的方式使用，可以轻松地加载到打印设备中，无需处理陶瓷粉末。这种适用于液态陶瓷的专有喷射打印技术能大规模、低成本、高效率地定制化生产陶瓷零件。因此可以实现大规模高效生产，产品的精度更高，具有前所未有的细节，有用高质量表面和精确度，且不会影响产量和制造时间。

具体地，壳体1材料为氧化锆。氧化锆又称二氧化锆，化学性质不活泼，且具有高熔点、高电阻率、高折射率和低热膨胀系数的性质，这些都有利于提高陀螺仪的精度。因此作为3D打印的原料能够方便地打印出壳体1，使得壳体1具有氧化锆的性能，其导热系数远远低于铝合金，相当于普通金属的1％～5％，配合气凝胶粉末可显著提升隔热性能，利用空腔2来降低质量，利用晶格支撑结构4来增强强度，多方面结合使得本发明同时兼顾隔热性能好、强度高、轻量化及加工方便的优点，有利于光纤陀螺体积的小型化发展。

具体地，气凝胶粉末的主要成分是空气，其次是二氧化硅，所以气凝胶粉末的导热系数比铝合金以及氧化锆更低，基本只有0.025W/mk，因此可显著提升壳体1的隔热性能，且形成的气凝胶粉末密度很小，大约只有0.1g/cm^3，对于壳体1的轻量化有很大帮助。

优选地，气凝胶粉末的粒径为50微米，粒径分布D50。采用此参数的气凝胶粉末最为适合。

可参见表一的材料属性对比：

	氧化锆	常用金属	气凝胶粉末
				导热系数W/mk	2.5	80-401	0.025
密度g/cm^3	6.04	2.75-8	0.1

表一

可见，壳体1采用的氧化锆和气凝胶粉末的导热系数均小于现有使用的铝合金。现有技术使用铝合金型材切割成大致毛坯，然后使用机械加工的方式去除绝大部分材料，最终成品为薄壁金属光纤环外壳。虽然减轻重量但薄壁结构本身的隔热性能差，热量容易传导到外壳内部，金属的热传导率高，进一步加速了热量传导，而本发明的壳体1通过3D打印制造而成，可以生成带有空腔2以及晶格支撑结构4的复杂形状，无需额外的打孔操作，加工更加方便，且整体性显著提高，整体强度更高，通过气凝胶粉末来隔绝热量，原因是气凝胶粉末的导热率远远低于铝合金，因此可以显著提升隔热性能，再保证了隔热性能的情况下，还保证了轻量化并兼顾强度。

温度传导主要有3种方式，传导，辐射和对流。在光纤陀螺仪的工况下，热量主要是通过装配连接面传导的方式进入光纤环内的。所以需要尽量隔绝热量的传导。中空的结构(空腔2)可以让热传导变为热对流，又进一步降低了热交换的速度。空气占气凝胶成分的95％以上，所以导热率与空气差不多，都非常的低。但气凝胶属于多胞固体的一种，大量空气被气凝胶的晶格固定，无法自由流动，这就意味着热量无法通过对流传递，在实际应用中隔热效果比空气更好，进一步提升了隔热性能。

具体地，空腔2内设有用于支撑强化空腔2的晶格支撑结构4，晶体支撑结构也是和壳体1一同被3D打印机制造而成的，气凝胶粉末充斥于空腔2内，其中晶格支撑结构4可以是圆柱状结构或者类似晶格的结构，可通过三维软件自动生成，如图3，在本实施例中为多个小圆柱的结构。

优选地，每个所述加注口3均设于壳体1的非受力面上。由于开设加注口3对于壳体1的强度有所影响，因此将其设置在壳体1的非受力面上可很好地避免受力面的强度损失问题发生。

在本实施例中，加注口3的最佳数量为四个，其中两个对称设于壳体1内圈壁上，剩余两个对称设于壳体1顶部上壁。此设置，在多次试验和仿真实验后，确定了最佳的加注口3数量，保证了强度损失最小，又能够保证夹住的气凝胶粉末更加均匀，从而提升隔热效果，使得壳体1整体的隔热能力更加均匀。当然根据受力面分析，还可以设置在其他面上。其余均为螺丝装配孔，螺纹装配孔不与空腔2连通。

每个所述加注口3在气凝胶粉末填充完之后通过密封胶或密封件密封处理，例如通过硅胶等密封，密封手段为常规技术手段，这里不再对其进行赘述。此设置，可很方便地堵住加注口3，防止气凝胶粉末的漏出，导致隔热性能变差。

为了高效地制造出本发明的壳体1，提出了光纤环外壳制造方法，具体包括以下步骤：

S100、生成壳体1的三维模型；

在实际操作中，通过三维建模软件建立壳体1的三维模型，如solidworks或CATIA等，也可以通过扫描仪自动生成三维模型，壳体1的外形结构可以和现有技术的光纤环外壳相似。

S200、基于设计受力方向在壳体1的空腔2内增加对应的晶格支撑结构4；

设计受力方向根据壳体1的安装方式确定，如例如主要受力情况是底面向顶面的纵向压缩力，则在Z轴方向加上主要支撑晶格结构；或者主要受侧向剪切力，就需要加强空腔2的支撑，晶格支撑结构4通过三维建模软件手动操作生成或者自动生成，受力分析软件可以是solidworks，也可以是其他FEA(有限元分析)软件，如ANSYS、ABAQUS等。

晶格支撑结构4以及空腔2尺寸越小，越密集，则壳体1的强度越高，但重量增加，因此需要进行分析。晶格支撑结构4的另外一个好处就是允许气凝胶粉末可以自由的在空腔2部分流动，在粉末灌装时可以迅速的填满空腔2。

S300、对增加晶格支撑结构4的壳体1进行网格划分；

这个步骤通过FEA软件或三维建模软件自带的应力分析功能实现，主要是为了方便仿真。

S400、依据壳体1的材料参数、壳体1的固定装配面及受力参数进行仿真计算；

其中材料参数至少包括密度，拉伸强度，压缩强度及杨氏模量，还可以包括其他参数，通常大多数的FEA软件都只需要输入材料即可自动生成其他参数。采用上述参数，可以更加方便地仿真出壳体1的最优模型，得到的结果更加接近实际情况。

S500、经过多次收敛计算后，优化晶格支撑结构4得到优化后的壳体1模型；

通过FEA等软件的收敛计算后，可以大幅度地优化晶格支撑结构4，从而得到最佳的晶格支撑结构4，无需人工计算，而且计算后生成的壳体1模型，无需再导成其他图纸去生产车间进行加工，只需要凭借模型文件本身就可以直接导入到3D打印机进行加工，显著提高了加工效率，降低了加工难度。

S600、将所述壳体1模型导入3D打印机进行打印；

此步骤的操作极为简单，只需要将壳体1模型导入到3D打印机自带的软件或第三方开源软件内，通过软件就能够自动对壳体1模型进行分析处理，将壳体1模型数据转换成3D打印机的切片数据，从而自动进行打印，可实现全自动化操作，无需人工加入。此时的切片数据也能够存储在3D打印机内或服务器上，下次进行加工直接调取即可，无需再次导入壳体1模型或再次生成壳体1模型。

S700、通过3D打印机制造生成光纤环外壳；

此步骤为常规手段，只需要等待3D打印机加工完成即可，通过3D打印机可生成传统加工方式无法生成的结构，如空腔2。

S800、对生成光纤环外壳的加注口3进行气凝胶粉末灌注；

S810、在气凝胶粉末灌注时，将光纤环外壳置于振幅1～5mm，频率100～500HZ的平台上，当灌注压力达到0.1～0.5Mpa时，无法继续灌注气凝胶即完成气凝胶灌注。此方案，可保证充入足够的气凝胶粉末，保证其隔热性能，也是的气凝胶粉末可以更加均匀地分布于空腔2内。其中振幅1～5mm，频率100～500HZ的平台为现有的振动设备，如振动台，灌注设备也是灌注用的常见设备，这里不再对其进行赘述。

S900、灌注完成后对加注口3进行密封处理。

密封处理可以用过硅胶、密封胶等，具体的密封手段为常规技术手段，这里不再对其进行赘述。

通过上述步骤，可根据设计的受力方向得到最优的模型，然后通过现有的3D打印机直接打印出来，再进行气凝胶粉末灌注，最后密封加注口3即可，操作方便，可以很轻松地得到强度高、轻量化且隔热性能低的壳体1，而且只需进行一次计算过程即可使用3D打印机批量生产，无需像传统机械加工需要转换成其他图纸那样，省去了很多的工序步骤，显著提升了加工效率。

本发明未详述部分为现有技术，故本发明未对其进行详述。

可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。

尽管本文较多地使用了壳体1、空腔2、加注口3、晶格支撑结构4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，包括设有空腔的壳体，所述壳体上设有用于对空腔内填充气凝胶粉末的多个加注口；所述空腔内设有用于支撑强化空腔的晶格支撑结构，所述气凝胶粉末充斥于空腔内；所述晶格支撑结构和壳体通过3D打印制造而成。

2.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，每个所述加注口在气凝胶粉末填充完之后通过密封胶或密封件密封处理。

3.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，所述气凝胶粉末的材料包括二氧化硅和空气。

4.根据权利要求1所述的一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，每个所述加注口均设于壳体的非受力面上。

5.根据权利要求4所述的一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，所述加注口数量为四个，其中两个对称设于壳体内圈壁上，剩余两个对称设于壳体顶部上壁。

6.根据权利要求1或3所述的一种基于3D打印的光纤环外壳，其特征在于，所述气凝胶粉末的粒径为50微米，粒径分布D50。

7.一种光纤环外壳制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

生成壳体的三维模型；

基于设计受力方向在壳体的空腔内增加对应的晶格支撑结构；

对增加晶格支撑结构的壳体进行网格划分；

依据壳体的材料参数、壳体的固定装配面及受力参数进行仿真计算；

经过多次收敛计算后，优化晶格支撑结构得到优化后的壳体模型；

将所述壳体模型导入3D打印机进行打印；

通过3D打印机制造生成光纤环外壳；

对所述生成光纤环外壳的加注口进行气凝胶粉末灌注；

灌注完成后对加注口进行密封处理。

8.根据权利要求7所述的一种光纤环外壳制造方法，其特征在于，在气凝胶粉末灌注时，将所述光纤环外壳置于振幅1~5mm，频率100~500HZ的平台上，当灌注压力达到0.1~0.5Mpa时，无法继续灌注气凝胶即完成气凝胶灌注。

9.根据权利要求7或8所述的一种光纤环外壳制造方法，其特征在于，所述材料参数至少包括密度，拉伸强度，压缩强度及杨氏模量。

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