CN106500904A - 一种基于增材制造的气流探针制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对气流探针尺寸小、强度要求低的特点，并结合增材制造复杂结构的便利性优点，公开了一种基于增材制造的气流探针制作方法，所述气流探针包括探针前体、探针后体和气流导管三部分，其中探针前体采用增材制造方法，而后体和气流导管则根据实际需求选用相应管材，可有效避免传统气流探针机械制造中的精密焊接技术问题，降低气流探针加工制造的难度，降低气流探针的制作成本，同时大幅降低了制造成本与周期，方便应用于各种形式、各种形状的气流探针制作。

Description

一种基于增材制造的气流探针制作方法
技术领域
本发明涉及流体测量技术领域，更具体涉及一种基于增材制造的气流探针制作方法。
背景技术
气流探针广泛应用于流体测量领域，根据探针形式的不同，可获得被测位置的不同参数，如皮托管可测量当地来流总压、静压及速度值；五孔探针则可获得当地来流总压、静压及速度三分量，来流速度方向测量范围约±40°；七孔探针同样可获得当地来流总压、静压及速度三分量，但来流速度方向测量范围可达±70°。总体上讲，结构相对复杂的探针可获得更大范围的来流参数。同时，在气流探针设计中，往往希望探针尺寸最小化，以减小对来流流动的干扰，提高测量精度。目前广泛应用的七孔探针锥形探头直径在6mm左右。
传统气流探针(如七孔探针)的制造方法基于机械加工，主要难点在于锥形探头、气流导管以及探针主体之间焊接精度的保证。焊接精度直接影响气流探针后期的测量精度和测量范围，因此气流探针的机械制造常常出现失败的情况。这导致了气流探针制作困难、成本高且供应商少。
发明内容
针对现有技术的缺点和不足，针对气流探针尺寸小、强度要求低的特点，本发明旨在提供一种基于增材制造的气流探针制作方法，可有效避免精密焊接技术问题，降低气流探针加工制造的难度，降低气流探针的制作成本，同时大幅降低制造成本与周期，方便应用于各种形式、各种形状的气流探针制作。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：
一种基于增材制造的气流探针制作方法，所述气流探针包括探针前体、探针后体和气流导管，其中，所述探针前体采用增材制造方法，所述探针后体和气流导管根据实际需求选用相应管材，其目的是可更大程度降低成本，同时可提高气流探针整体强度。其特征在于，所述气流探针制作方法，包括如下步骤：
SS1.探针前体建模
所述探针前体，包括主体前端、主体末端、气流孔和安装孔，其中，
所述主体前端与主体末端外形轮廓尺寸根据使用需求确定，
所述气流孔沿长度方向贯穿所述探针前体，其贯穿路径保持曲率连续，气流孔个数由气流探针形式确定，
所述安装孔位于所述主体末端，用于连接所述探针后体，
根据确定的设计尺寸对所述探针前体3D建模，分别对所述主体前端、主体末端、气流孔和安装孔进行3D建模，并输出3D打印图纸格式文件。
本步骤中，气流孔贯穿路径保持曲率连续的目的是使气流压力连续导出，同时增材制造工艺会在气流孔中残留部分支撑辅材，气流孔贯穿路径保持曲率连续有助于支撑辅材的清理。
SS2.增材制造及支撑辅材清理
所述探针前体结构的特殊性在于探针前体为细长物体，而且内部贯穿有气流孔，而增材制造技术无法直接制造内部含有孔的结构体，为此内部气流孔在增材制造中需采用支撑辅材填充，其中，主体材料可用ABS树脂(Acrylonitrile Butadiene Styrene)，支撑辅材选用水溶性高分子材料，如聚乙烯醇(PVA，Polyvinyl alcohol)。
根据所述探针前体3D建模数据及所选材料进行增材制造程序编译，完成增材制造过程后，探针前体气流孔中充满了支撑辅材，需将探针前体浸泡在碱性溶液里，该目的是利用支撑辅材溶于碱性溶液，而主体材料则与碱性溶液不相溶的特点，将支撑辅材软化，进一步采用小于气流孔直径的细金属丝将溶解的支撑辅材逐渐清除，直到气流孔完全贯通。
SS3.气流探针装配
首先将气流导管与探针前体密封连接，并使气流孔连续过渡，用于将所述探针前体中气流孔中的压力导出，
其次将探针后体与探针前体通过安装孔装配连接。
进一步地，所述气流探针制作方法还进一步包括如下步骤：
SS4.气流探针标定
将气流探针安装于标定装置，改变来流角度和来流速度，测量所述气流导管引出的压力，进而通过标定算法计算标定矩阵。
优选地，步骤SS1中，所述气流孔的末端设计为台阶孔，使所述气流导管伸入气流孔末端后，所述探针前体气流孔与所述气流导管内孔可连续过渡。
进一步地，所述台阶孔靠近主体末端的一侧其内径大于靠近主体前端一侧的内径。
优选地，所述气流孔的末端设计为伸出端子，伸出端子外径略大于所述气流导管内径，使所述气流导管与伸出端子连接时利用弹性张力保证密封性。
优选地，所述主体前端和主体末端之间具有一定夹角。
优选地，所述探针前体设置有至少一个沿其长度方向布置的气流孔。
优选地，使用碳酸氢钠溶液浸泡探针前体，以清除残留在气流孔中的支撑辅材。
优选地，气流导管与探针前体密封连接时，首先将气流导管分别伸入各气流孔中，并使用环氧树脂粘结剂对气流导管和气流孔进行固定和密封。
优选地，所述探针后体与探针前体通过安装孔采用销柱装配连接。
优选地，使用光敏树脂增材制造探针前体。
通过以上技术方案可知，同现有技术相比，本发明针对气流探针尺寸小、强度要求低的特点，并结合增材制造复杂结构的便利性优点，提出基于增材制造的气流探针制作方法，可有效避免精密焊接技术问题，降低气流探针加工制造的难度，降低气流探针的制作成本，同时大幅降低制造成本与周期，方便应用于各种形式、各种形状的气流探针制作。
附图说明
图1气流探针结构示意图；
图2探针前体结构一示意图；
图3探针前体结构二示意图。
具体实施方式
为使本发明目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。
实例气流探针形式为七孔探针，形状为折线型，如图1所示，气流探针包括探针前体1、气流导管2和探针后体3三部分，探针前体与探针后体夹角20°。其中探针前体采用增材制造方法，材料为光敏树脂，探针后体3选用外径12mm、内径10mm管材，气流导管2选用外径1mm、内径0.8mm金属毛细管材。气流探针制作方法包括探针前体建模，增材制造及支撑辅材清理，气流探针装配，气流探针标定四个步骤。
1.探针前体建模
探针前体1，包括主体前端1.1、主体末端1.2、气流孔1.3、安装孔1.4四部分，如图2、3所示，主体前端1.1直径6mm，主体末端1.2直径10mm并与探针后体3通过安装孔1.4装配固定，七个气流孔1.3沿长度方向贯穿探针前体1，气流孔1.3末端设计为台阶孔，内径分别为0.8mm和1mm，当气流导管2伸入气流孔1.3末端后，探针前体气流孔1.3与气流导管2内孔可连续过渡。由以上设计尺寸在三维实体建模软件CATIA中对主体前端1.1、主体末端1.2、气流孔1.3、安装孔1.4四部分实体建模，并输出3D打印图纸格式文件。
2.增材制造及支撑辅材清理
根据3D打印图纸完成增材制造过程，支撑辅材在探针前体1的增材制造过程中残留在气流孔1.3中，使用碳酸氢钠溶液浸泡探针前体1，同时使用内径0.4mm细金属丝将溶解的支撑辅材逐渐清除，直到气流孔1.3完全贯通。
3.气流探针装配
气流探针装配包括探针前体1、探针后体3和气流导管2三部分的装配连接，首先将七只气流导管2分别伸入探针前体1的七个气流孔1.3中，并使用环氧树脂粘结剂对气流导管2和气流孔1.3的连接进行固定和密封，其次将探针后体3与探针前体1通过安装孔1.4采用销柱装配连接。
4.气流探针标定
气流探针标定与传统机械制造气流探针标定方法一致，即将气流探针安装于标定装置，改变角度和来流速度，测量所述气流导管引出的压力，进而通过标定算法计算标定矩阵。
通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解以上所述仅为本发明的一个实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的思路和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于增材制造的气流探针制作方法，所述气流探针包括探针前体、探针后体和气流导管，其中，所述探针前体采用增材制造方法，所述探针后体和气流导管根据实际需求选用相应管材，其特征在于，所述气流探针制作方法包括如下步骤：
SS1.探针前体建模
所述探针前体，包括主体前端、主体末端、气流孔和安装孔，其中，
所述主体前端与主体末端外形轮廓尺寸根据使用需求确定，
所述气流孔沿长度方向贯穿所述探针前体，其贯穿路径保持曲率连续，以保证气流压力连续导出，同时方便后续步骤中支撑辅材的的清理，气流孔个数由气流探针形式确定，
所述安装孔位于所述主体末端，用于连接所述探针后体，
根据确定的设计尺寸对所述探针前体进行3D建模，分别对所述主体前端、主体末端、气流孔和安装孔进行3D建模。
SS2.增材制造及支撑辅材清理
根据所述探针前体3D建模数据，使用主体材料例如ABS树脂进行所述探针前体主体的增材制造，使用支撑辅材例如聚乙烯醇填充所述内部气流孔，完成增材制造过程后，探针前体气流孔中充满了支撑辅材，需将探针前体浸泡在碱性溶液里，该目的是利用支撑辅材溶于碱性溶液，而主体材料则与碱性溶液不相溶的特点，将支撑辅材软化，进一步采用小于气流孔直径的细金属丝将溶解的支撑辅材逐渐清除，直到气流孔完全贯通。
SS3.气流探针装配
首先将气流导管与探针前体密封连接，并使气流孔连续过渡，用于将所述探针前体中气流孔中的压力导出，
其次将探针后体与探针前体通过安装孔装配连接。
2.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述气流探针制作方法还进一步包括如下步骤：
SS4.气流探针标定
将气流探针安装于标定装置，改变来流角度和来流速度，测量所述气流导管引出的压力，进而通过标定算法计算标定矩阵。
3.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述气流孔的末端设计为台阶孔，使所述气流导管伸入气流孔末端后，所述探针前体气流孔与所述气流导管内孔可连续过渡。
4.根据权利要求3所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述台阶孔靠近主体末端的一侧其内径大于靠近主体前端一侧的内径。
5.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述气流孔的末端设计为伸出端子，伸出端子外径略大于所述气流导管内径，使所述气流导管与伸出端子连接时利用弹性张力保证密封性。
6.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述主体前端和主体末端之间具有一定夹角。
7.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述探针前体设置有至少一个沿其长度方向布置的气流孔。
8.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，使用碳酸氢钠溶液浸泡探针前体，以清除残留在气流孔中的支撑辅材。
9.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，气流导管与探针前体密封连接时，首先将气流导管分别伸入各气流孔中，并使用环氧树脂粘结剂对气流导管和气流孔进行固定和密封。
10.根据权利要求1所述的基于增材制造的气流探针制作方法，其特征在于，所述探针后体与探针前体通过安装孔采用销柱装配连接。
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