一种基于3D打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法
本发明属于磁各向异性应力检测仪，尤其涉及一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法。
背景技术：
1、大型铁磁性构件被广泛应用于航空航天、海洋工程和先进轨道交通等高端装备领域。这些构件在制造过程中积累的残余应力与服役过程中产生的应力在构建内部形成复杂的三维应力场，对装备的工作效率和使用安全有极大影响，需要及时准确的检测。目前常用于铁磁性构件应力检测的方法是磁各向异性法，该方法在检测中要求传感器紧贴被检测表面或者距离表面的高度一致，以确保磁路稳定，提高测量的准确性。然而在实际测量中，被检测表面往往不是平面，反而以不规则曲率的曲面居多，例如航天器的流线型外壳、钻井平台承重柱焊缝、稀有元素反应釜内壁焊缝等，这些不规则的检测面会严重影响测量的准确与稳定，从而限制应力检测在这些场景的使用，为了实现对这些关键部位的应力检测，扩大应力检测的使用范围，这一问题亟待解决。
2、目前常用的传感器多是线切割法制备的电工纯铁磁芯，性能差是一方面，另一方面为了能在大多数场景使用，其检测底面是平的，这导致其不能用在曲面结构的应力测量。若要实现曲面结构的检测，则要对曲面结构曲率进行测量，再经过熔铸、塑模、浇筑、切割等步骤来重新设计制造传感器，这些步骤往往需要一到两天来完成，并且过程中会产生较多的废料。这严重影响了检测的灵活性与准确性。线切割法制备磁芯限制了传感器的形状，使之不能满足实际检测中多变的测量表面形状和测量位置，制约了磁各向异性应力检测仪的测量效果与使用场景，受到工程技术人员们的重视。
3、3d打印利用高能激光束熔化粉末材料来堆积成形结构，可以实现微型复杂形状部件的制作。结合三维扫描系统，3d打印技术可以针对不同曲率的待检测平面，甚至是变曲率平面设计制作出完全贴合待测量表面的传感器，过程只需要3～5h，大大缩短传感器的设计制造周期；并且得益于粉末制造的特点，过程中几乎不会产生废料，材料利用率高，降低了生产成本；此外3d打印的过程完全由打印机自主实施，高效、智能，大大减少了人力的消耗，实现了人力、物力的节约与充分利用。因此，本发明提供了一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，以解决曲面应力检测效果差、传统方法生产曲面检测传感器实施难、时间长、成本高、质量差等技术问题。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，不涉及繁复的制造流程，不会产生固体垃圾，大大降低生产的材料成本，提高材料利用效率，加快生产周期。
2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，包括：
3、对待检测曲面进行三维扫描，获得应力检测区域的三维模型；
4、将所述应力检测区域的三维模型导入三维设计软件，对扫描的曲面形状绘制对应的传感器磁芯的结构图，获得传感器磁芯三维模型；
5、将所述传感器磁芯三维模型导入切片软件进行优化，添加支撑，设置切片参数，进行切片处理，获得待打印文件；
6、将所述待打印文件导入3d打印机器，设置打印参数，将所述待打印文件打印成形，获得传感器磁芯；
7、对所述传感器磁芯进行喷砂处理，获得表面圆润光滑的传感器磁芯；
8、在所述表面圆润光滑的传感器磁芯上均匀绕制线圈，获得针对特定曲面的应力检测传感器。
9、可选的，获得应力检测区域的三维模型之后，需要对所述三维模型的表面检测位置曲率半径进行测量，在所述三维模型上标记各检测位置的曲率半径。
10、可选的，将所述应力检测区域的三维模型导入三维设计软件之后，需要检查所述三维模型的水密性，将所述三维模型生成为实体结构，去除三维模型扫描时误识别生成的毛刺和突起。
11、可选的，将所述传感器磁芯三维模型导入切片软件进行优化的方法包括：在所述切片软件中添加基板，导入stl格式的所述传感器磁芯三维模型，确保所述传感器磁芯三维模型无孔洞、无坏边，所述传感器磁芯三维模型形成一体的密闭结构。
12、可选的，添加支撑的方法包括：将所述传感器磁芯三维模型竖立在所述基板上，与所述基板水平面距离3mm，将所述传感器磁芯三维模型放置在所述基板中心的位置均匀分布，每个模型间至少距离5mm，且采用45°支撑。
13、可选的，设置切片参数，进行切片处理，获得待打印文件的方法包括：
14、设置切片厚度30μm，棋盘扫描策略，激光先扫过填充区域，再扫过轮廓，获得所述待打印文件。
15、可选的，所述打印参数包括：激光轨道间距设置为20～50μm，填充部分的激光速度为600mm/s～800mm/s，轮廓激光速度为400mm/s～2500mm/s，激光功率为160w～180w，层厚为30μm，铺粉厚度为60μm。
16、可选的，将所述待打印文件打印成形，获得传感器磁芯的方法包括：
17、将所述待打印文件打印成形，获得打印完的传感器磁芯，通过支撑固定在基板上，冷却后，直接从打印机里取出基板，利用线切割或机械处理将所述传感器磁芯从基板上切下，获得传感器磁芯，其中打印时间为1h～1.5h，打印完成后冷却时间为25min～35min。
18、可选的，获得针对特定曲面的应力检测传感器的方法包括：选择线径为0.21～0.41mm的纯铜漆包线，在传感器磁芯的每根探脚上均匀绕制2～3层线圈，所述线圈均匀布满每根探脚，对于磁极传感器，对角线方向上分布的两探脚用一根线绕制，线圈方向相反，绕好后用胶水固定，用不锈钢外壳和环氧灌封胶密封，得到针对特定曲面的应力检测传感器。
19、可选的，将所述待打印文件导入3d打印机器后打印过程中的粉末材料选择具有高磁导率、高饱和磁化强度、低矫顽力、高强度的软磁合金，所述粉末材料由气体雾化法制备，粒径宜在10μm～80μm的范围内均匀分布。
20、本发明技术效果：本发明公开了一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，通过三维扫描得到待检测曲面的三维实体模型，在三维设计软件中根据导入的待检测曲面三维模型绘制传感器磁芯三维模型，经过模型优化、切片处理、参数设置后将待打印文件导入3d打印机器进行制造，可以一体化成型曲面检测传感器磁芯结构，得到结构紧凑、表面光滑、综合性能俱佳的传感器磁芯，经过绕线可以得到针对特定曲面的应力检测传感器。采用本申请的曲面应力检测传感器制造方法，可以摆脱传统方法对传感器磁芯形状的限制，针对各种不同形状的待检测表面制作出对应的检测传感器，得到的传感器可以紧贴被测表面，克服因为空气域分布不均产生的测量误差，从而最大程度上提高测量准确性并扩大磁各向异性应力检测仪的测量范围。并且本方法不涉及繁复的制造流程，不会产生固体垃圾，大大降低生产的材料成本，提高材料利用效率，加快生产周期。
技术特征：
1.一种基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，包括：对待检测曲面进行三维扫描，获得应力检测区域的三维模型；
2.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，获得应力检测区域的三维模型之后，需要对所述三维模型的表面检测位置曲率半径进行测量，在所述三维模型上标记各检测位置的曲率半径。
3.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，将所述应力检测区域的三维模型导入三维设计软件之后，需要检查所述三维模型的水密性，将所述三维模型生成为实体结构，去除三维模型扫描时误识别生成的毛刺和突起。
4.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，将所述传感器磁芯三维模型导入切片软件进行优化的方法包括：在所述切片软件中添加基板，导入stl格式的所述传感器磁芯三维模型，确保所述传感器磁芯三维模型无孔洞、无坏边，所述传感器磁芯三维模型形成一体的密闭结构。
5.如权利要求4所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，添加支撑的方法包括：将所述传感器磁芯三维模型竖立在所述基板上，与所述基板水平面距离3mm，将所述传感器磁芯三维模型放置在所述基板中心的位置均匀分布，每个模型间至少距离5mm，且采用45°支撑。
6.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，设置切片参数，进行切片处理，获得待打印文件的方法包括：
7.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，所述打印参数包括：激光轨道间距设置为20～50μm，填充部分的激光速度为600mm/s～800mm/s，轮廓激光速度为400mm/s～2500mm/s，激光功率为160w～180w，层厚为30μm，铺粉厚度为60μm。
8.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，将所述待打印文件打印成形，获得传感器磁芯的方法包括：
9.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，获得针对特定曲面的应力检测传感器的方法包括：选择线径为0.21～0.41mm的纯铜漆包线，在传感器磁芯的每根探脚上均匀绕制2～3层线圈，所述线圈均匀布满每根探脚，对于磁极传感器，对角线方向上分布的两探脚用一根线绕制，线圈方向相反，绕好后用胶水固定，用不锈钢外壳和环氧灌封胶密封，得到针对特定曲面的应力检测传感器。
10.如权利要求1所述的基于3d打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，其特征在于，将所述待打印文件导入3d打印机器后打印过程中的粉末材料选择具有高磁导率、高饱和磁化强度、低矫顽力、高强度的软磁合金，所述粉末材料由气体雾化法制备，粒径宜在10μm～80μm的范围内均匀分布。
技术总结
本发明公开了一种基于3D打印的针对曲面的应力检测传感器制造方法，包括：对待检测曲面进行三维扫描，获得应力检测区域的三维模型；将应力检测区域的三维模型导入三维设计软件，对扫描的曲面形状绘制对应的传感器磁芯的结构图，获得传感器磁芯三维模型；将传感器磁芯三维模型导入切片软件进行优化，添加支撑，设置切片参数，进行切片处理，获得待打印文件；将待打印文件导入3D打印机器，设置打印参数，将待打印文件打印成形，获得传感器磁芯；对传感器磁芯进行喷砂处理，获得表面圆润光滑的传感器磁芯；在表面圆润光滑的传感器磁芯上均匀绕制线圈，获得针对特定曲面的应力检测传感器。本发明提高材料利用效率，加快生产周期。
技术研发人员：杨卫明,薛志强,李文宇,刘海顺,赵玉成
受保护的技术使用者：中国矿业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23