CN108622343A - 微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3d打印方法 - Google Patents

微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3d打印方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3D打印方法，微型潜航装置包括半封闭金属壳体头和壳身，壳身外表面贴附有太阳能电池板，壳身内部固设有充电电池、控制器、通讯模块和传感器模块，壳身封闭端面处设有螺旋桨，壳身侧面设有方向舵，壳身内部中心处设有平衡架，电磁铁调节平衡架的摆动，促使高密度液体在左容器和右容器之间流动。并公开了微型潜航装置中壳体头和壳身的3D打印方法。本发明对其外观结构和重心位置进行优化，并采用3D打印工艺加工半封闭金属外壳，在保证强度的情况下能成型厚度薄，并且内部各种支撑、固定架、筋肋等能够一体成型，大幅减轻了外壳重量。

Description

微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3D打印方法
技术领域
本发明涉及一种军用无人潜航器及其加工方法，尤其涉及一种微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3D打印方法。
背景技术
无人潜航器也称为潜水机器人，是一种重要的水中侦查装置，广泛应用于军事和民用领域的探测、侦查、救生等高危险性的水下作业，甚至美国海军正在研制具备攻击性的水下无人潜航***，因此无人潜航器的发展应用前景颇为看好。目前小型的无人潜航器一般是圆柱型外观，长度1米以上，直径0.3米以上。虽然无人潜航器的尺寸越小其隐蔽性越好，但是尺寸进一步小型化时遇到几个瓶颈：（1）无人潜航器的外壳体一般是金属制造，受生产材料和加工工艺的限制，壳体和内部设备支架为组装连接而成，壳体的重量、连接件、紧固件等的重量等占总重量的比例较大，内部空间结构继续优化度有限；有的非金属材料的外壳体，为保证力学性能，需要采用较厚的壳体，体积和重量较大。（2）常用的固定电源或温差发电装置的体积和重量较大，限制了小型化的空间。因此要实现无人潜航器的进一步小型化，必须采用新材料、新工艺、新结构。
近几年，金属3D打印技术的研究在国内外正深入展开，以选择性激光烧结为原理的金属3D打印设备原则上能够直接成型任意形状的金属零件，因此使用3D打印技术加工轻质合金壳体替代传统的铸造和机加工，将会极大缩小壳体的重量和体积，并且对内部结构连接件进行一体化打印成型，在保证力学性能的前提下实现内部结构优化，同时大幅降低连接件的使用数量，这是实现无人潜航器微型化的一个突破点。但金属材料3D打印的实际工艺过程要复杂的多，各种金属材料的最佳打印工艺和参数配置没有统一标准，不同原材料的性能存在很大差异，即使同一种金属材料打印不同结构的零件，打印工艺及流程控制、支撑的设计和去除方式及后期处理方法等也各不相同，需要进行大量的试验测试，探索最优化工艺参数，尤其是金属3D打印的工艺方法设计要与零件的结构设计紧密结合且相辅相成才能获得最佳的实施效果。目前金属3D打印机成型零件的厚度最薄尺寸为0.1-0.2mm左右，一次成型过程中能够实现不同厚度、形状的加强筋、固定板或连接架与零件整体形状的一体化完成，所成型零件的形状、厚度、强度等参数大幅突破了传统的铸造成型、挤压成型、焊接成型等工艺的局限性，在保证力学性能的情况下大幅减少了连接件的使用数量，实现零件整体尺寸和形状的优化、尺寸微型化以及自身重量的大幅降低，能够为功能性部件的安装提供更大的空间。
基于以上原因，本发明设计了一种以镁铝合金为材料的半封闭超薄金属壳体的3D打印方法，并以此为外壳体设计了一种微型潜航装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种微型潜航装置及其半封闭金属壳体的3D打印方法，该装置对其外观结构和重心位置进行优化，并采用3D打印工艺加工半封闭金属外壳，在保证强度的情况下能成型厚度薄，并且内部各种支撑、固定架、筋肋等能够一体成型，大幅减轻了外壳重量。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种微型潜航装置，其特征在于包括半封闭金属壳体头和壳身，金属壳体头和壳身紧固密封连接，形成一个密封壳体；所述壳体头主体为圆锥形，所述壳身主体为一侧端面封闭的圆柱形，壳身外表面贴附有太阳能电池板，壳身内部固设有充电电池、控制器、通讯模块和传感器模块，壳身封闭端面处设有螺旋桨，壳身侧面设有方向舵，壳身内部中心处设有平衡架，所述平衡架包括左容器、右容器和硬质的导管，导管把左容器和右容器连通并密封，左容器为向上凸起的半圆球形容器，其下平面与导管保持水平，右容器为向下凸起的锥形容器，上倾斜面与导管保持水平，在左容器、右容器和导管内装有盛装高密度液体，所述导管中部设有连接架，连接架与壳身内壁挂接，靠近左容器的导管表面设有金属连接套，连接套正上方设有固定于壳身内壁的电磁铁，电磁铁与连接套相互吸引，电磁铁调节平衡架的摆动，促使高密度液体在左容器和右容器之间流动。
对上述方案作进一步的限定，所述壳体头包括圆锥壳头、内支撑板、上压板、壳头仓体和内压板，壳体头为3D打印一体成型的圆锥形，圆锥壳头作为圆锥形的侧面，在圆锥壳头表面设有透镜，内支撑板作为圆锥形的底面，内支撑板上固定有摄像头，摄像头与透镜对正，内支撑板设有圆孔；壳头仓体与所述壳身密封连接，上压板位于壳头仓体外侧，固定太阳能电池板，内压板位于壳头仓体内侧，固定方向舵的驱动舵机。
对上述方案作进一步的限定，所述圆锥壳头的锥顶角为55°～75°，上压板与圆锥壳头连接部分向外扩张，扩张角度为10°～20°。
对上述方案作进一步的限定，所述壳身是由半封闭的壳身仓体和位于封闭端的导向翼组成，其中壳身仓体侧面是由一个平面部分和一个圆面部分围成，平面部分的外表面粘贴太阳能电池板，平面部分的内表面设有磁铁固定架和吊架，其中磁铁固定架固定电磁铁，吊架吊装平衡架，圆面部分设有电池固定板和孔舵机安装平面。
对上述方案作进一步的限定，所述壳身仓体内表面周向分布有壳身筋肋，壳身仓体内表面轴向分布有壳身筋板，所述壳身仓体的壳身底壳内表面上设有电机固定架。
对上述方案作进一步的限定，所述壳身筋肋横截面为梯形，其底面夹角为20°～40°，所述吊架横截面为梯形，其高度为2～3mm，底面夹角为20°～35°，所述磁铁固定架横截面为梯形，其高度为1.5～2mm，底面夹角为20°～35°。
对上述方案作进一步的限定，所述壳身及磁铁固定架、吊架、壳身筋肋、壳身筋板、电机固定架、电池固定板、孔舵机安装平面为3D打印一体成型。
一种半封闭金属壳体的3D打印方法，其特征在于所述半封闭金属壳体为用于微型潜航装置中的壳体头，金属材质为镁铝合金，所述壳体头的3D打印步骤包括：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板，基板上放置镁铝合金粉末，基板预热温度120℃，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm；
（2）在基板上首先3D打印烧结镁铝合金面支撑，厚度1-2mm，激光扫描方式采用棋盘式扫描方式；面支撑成型完成后继续烧结壳头仓体，壳头仓体一体化成型，激光扫描方式采用同心式扫描，厚度0.2-0.4mm；同步烧结内压板和上压板，同步烧结内支撑板下表面的网格式点支撑，网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入内支撑板1-2深度0.2mm；
（3）烧结成型到上压板与壳头仓体后，激光头烧结方向自动调整，开始烧结圆锥壳头与上压板、壳头仓体的衔接部分，烧结时不需加支撑，同步继续烧结内压板直板面，同步烧结圆形网格式点支撑，一直烧结到内支撑板下表面；
（4）在网格式点支撑下，开始烧结内支撑板，同步继续烧结圆锥壳头倾斜部分，直到圆锥壳头顶点，完成壳体头的3D打印过程；
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷；
（6）表面处理：利用抛光工具为壳体头1的内、外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用打磨工具将壳头仓体端部打磨出内倒角。
一种半封闭金属壳体的3D打印方法，其特征在于所述半封闭金属壳体为微型潜航装置中的壳身，金属材质为镁铝合金，所述壳身的3D打印步骤包括：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板，基板预热温度120℃，基板上放置镁铝合金粉末，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm；
（2）首先在基板上3D打印烧结成型镁铝合金面支撑，激光扫描采用棋盘式扫描方式，厚度2-3mm，面支撑成型完成后继续烧结导向翼的下端，同步在面支撑上烧结底壳下侧的混合支撑，混合支撑包括网格点支撑、线支撑和十字支撑，激光扫描采用带状扫描方式，网格式点支撑的网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入壳身底壳深度0.2mm；线支撑边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳深度0.2mm；十字支撑边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳深度0.2mm；
（3）导向翼和混合支撑烧结完成后，在导向翼和混合支撑的共同支撑下，开始烧结壳身底壳圆形平面，壳身底壳的厚度设置为0.4-0.8mm；
（4）壳身底壳烧结完成后，继续烧结壳身仓体，同步烧结电机固定架、壳身筋板、电池固定板，其中壳身仓体的厚度为0.2-0.4mm，电机固定架为空心类圆柱形，内径和电机的外形尺寸和形状相同，厚度为0.2-0.3mm，壳身筋板的厚度为0.2-0.3mm，电池固定板的厚度为0.2-0.3mm；烧结壳身仓体过程中，壳身筋肋的∠f≤40°，厚度0.4-0.6mm，不需要支撑直接烧制；吊架的∠g≤40°，厚度0.2-0.4mm，y的宽度2-3mm，不需要支撑直接烧制；磁铁固定架的∠h≤40°，厚度0.2-0.4mm，z的宽度1.5-2mm，不需要设置支撑直接烧制；舵机安装平面为壳身仓体的内圆弧面加厚烧结成一个平面，便于舵机稳定安装；烧结到壳身仓体的上端，口径收缩烧结并与壳头仓体的外径相等；
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷；
（6）表面处理：利用抛光工具为壳身的外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用抛光液高速冲刷壳身内部进行抛光，去除内部金属残渣。
对上述方案作进一步的说明，所述镁铝合金粒径分布范围26-68微米，化学成分按质量百分比为：镁90%~92%，铝8%~10%，锌0.5%~0.8%，锰0.1%~0.4%，铁0~0.003%，硅0~0.05%，铜0~0.005%，其余为杂质。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
（1）本发明中微型潜航装置的外壳采用镁铝合金材料，通过金属3D打印方法的流程和方案进行加工设计，方案合理，安全系数高，避免了镁铝合金超细粉末易***的危险，并且打印效率高，成型并处理后的壳体抗拉强度、抗压强度、表面质量、壳体厚度、结构性能、尺寸要求等指标完全满足力学性能和设计要求；
（2）本发明中3D打印成型镁铝合金材质的壳身仓体使结构创新，极大减轻了整体的重量和体积，尤其是一体化成型的壳身筋肋和壳身筋板，在保证强度的情况下，大幅缩短了壳身仓体的厚度；一体化成型的内部固定装置大幅减少了连接件的使用数量，不需要复杂的传动链，进一步降低了整体重量；
（3）本发明中微型潜航装置的外观结构和重心位置优化后，使太阳能电池板能够保持在水面上持续获得太阳能，为充电电池充电，避免了传统的温差发电装置体积大且需要在不同温层水域间不间断运动的缺点；
（4）该发明整体结构简捷，体积小巧，容易维护，成本低廉，并且工作时能够较容易穿过大型渔网的网孔或防护栏，不易被发现。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是微型潜航装置的三维外观示意图；
图2是微型潜航装置的整体结构剖视图；
图3是壳体头1的结构剖视图；
图4是壳体头1的G向示意图；
图5是壳身5的结构剖视图；
图6是壳身5的B向剖视图；
图7是壳身5的3D打印工艺图；
图8是壳身筋肋5-4的结构放大图；
图9是吊架5-3的结构放大图；
图10是磁铁固定架5-2的结构放大图；
图11是平衡架7的A向结构示意图；
图12是壳体头1的3D打印工艺图；
图13是壳体头1的3D打印网格式点支撑示意图；
图14是壳身5的3D打印混合支撑示意图；
图中：1、壳体头，2、透镜，3、摄像头，4、太阳能电池板，5、壳身，6、电磁铁，7、平衡架，8、电机，9、螺旋桨，10、控制器，11、充电电池，12、通讯模块，13、传感器模块，14、方向舵，15、舵机；
1-1、圆锥壳头，1-2、内支撑板，1-3、上压板，1-4、壳头仓体，1-5、内压板；
5-1、壳身仓体，5-2、磁铁固定架，5-3、吊架，5-4、壳身筋肋，5-5、壳身筋板，5-6、壳身底壳，5-7、导向翼，5-8、电机固定架，5-9、电池固定板，5-10、通讯模块孔，5-11、传感器模块，5-12、孔舵机安装平面；
7-1、左容器，7-2、连接套，7-3、导管，7-4、连接架，7-5、右容器；
A、基板，A1、点支撑，A2、线支撑，A3、面支撑，A4、组合支撑，A5、十字支撑。
具体实施方式
下面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的一部分实施例，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。
附图1为本发明中的微型潜航装置整体外观结构，其内部空间结构如图2所示，主要包括：壳体头1、透镜2、摄像头3、太阳能电池板4、壳身5、电磁铁6、平衡架7、电机8、螺旋桨9、控制器10、充电电池11、通讯模块12、传感器模块13、方向舵14、舵机15；左侧的壳体头1与中间的壳身5连接，壳身5的下端为圆柱状，上端为平面状，平面上固定太阳能电池板4，壳身5的右端安装螺旋桨9。
其中壳体头1的结构如图3和图4所示，包括：圆锥壳头1-1、内支撑板1-2、上压板1-3、壳头仓体1-4、内压板1-5；壳体头1为3D打印一体成型，左侧为圆锥壳头1-1，其剖面的上、下边为MN和ML，内支撑板1-2为竖直圆环平面，中间留圆孔，与圆锥壳头1-1为3D打印一体成型，NR为壳头仓体1-4的上端平面区剖面，XT为圆柱区剖面，PQ为上压板1-3的平面区剖面，NP为斜面区剖面，WS为平面区剖面，WS平面的左端与内支撑板1-2的下侧3D打印一体成型。壳体头1各部分3D打印工艺角度设计如图3所示： T、S、R、Q四点连线在同一垂直平面上，75°≥∠MLN≥55°，75°≥∠MNL≥55°，165°≥∠NPQ≥145°，∠MLX=180°，即MLX为直线，180°≥∠MNP≥150°；圆锥壳头1-1一体3D打印成型后，在圆锥面的上、下侧各开设一个孔，每个孔上密封粘接一块透镜2，如图2所示，两个摄像头3固定在内支撑板1-2的上，摄像头3的取景器分别正对透镜2。
壳身5内部空间结构如图5和图6所示，包括：壳身仓体5-1、磁铁固定架5-2、吊架5-3、壳身筋肋5-4、壳身筋板5-5、壳身底壳5-6、导向翼5-7、电机固定架5-8、电池固定板5-9、通讯模块孔5-10、传感器模块孔5-11、舵机安装平面5-12；壳身5为3D打印一体成型，壳身仓体5-1的上表面为平面状，下表面为圆柱状，中间为空腔，左端为开放口且口径收缩与壳头仓体1-4的外径相等，右端通过壳身底壳5-6封闭，壳身底壳5-6的右外侧边沿，一体3D打印多个导向翼5-7；在壳身仓体5-1的内壁上端，一体3D打印一个磁铁固定架5-2和一个吊架5-3；在壳身仓体5-1内壁的纵向，一体3D打印多条壳身筋肋5-4，横向一体3D打印多条壳身筋板5-5，壳身底壳5-6的左侧中心位置一体3D打印一个电机固定架5-8，壳身仓体5-1的内壁下侧一体3D打印两条电池固定板5-9，电池固定板5-9既起到固定充电电池11的作用，也起到壳身筋板5-5的作用；壳身仓体5-1左端的下侧内圆柱壁上一体3D打印一个平台做为舵机安装平面5-12，壳身仓体5-1的侧壁上开设两个孔，分别是通讯模块孔5-10和传感器模块孔5-11。壳身5各部分打印工艺角度如图7所示：壳身筋肋5-4如图8所示为上下对称结构，∠f≤40°，吊架5-3如图9所示为上下对称结构，∠g≤35°，2mm≤y≤3mm，磁铁固定架5-2如图10所示为上下对称结构，∠h≤35°，1.5mm≤z≤2mm。
平衡架7的空间结构如图2和图11所示，包括：左容器7-1、连接套7-2、导管7-3、连接架7-4、右容器7-5；左容器7-1为封闭的碗状，右端边沿开口连接导管7-3，右容器7-5为封闭的烧杯状，左端边沿开口连接导管7-3，左容器7-1和右容器7-5通过硬质的导管7-3密封连通，导管7-3的左外侧固定安装一个连接套7-2，正中间固定安装一个连接架7-4。
本发明微型潜航装置的的长度为200-900mm，宽度（直径）为50-300mm，壳身5内部空间结构如图2所示，平衡架7的连接架7-4上端套入吊架5-3内，电磁铁6的上端固定在磁铁固定架5-2上，连接套7-2和电磁铁6的运动端固定连接，左容器7-1呈倒扣碗状，下平面与导管7-3水平，右容器7-5为倾斜烧杯状，上倾斜面与导管7-3水平，右容器7-5内盛装水银或其它高密度液体，平衡架7处于水平状态时，液体正好置于右容器7-5内；充电电池11置于壳身5的下端两片电池固定板5-9之间，充电电池11左侧的舵机安装平面5-12上粘接固定舵机15，舵机15的转动轴通过壳身5上的密封轴套向下穿出壳身5，转动轴头部连接方向舵14；壳身5内的电机固定架5-8内粘接固定电机8，电机8的旋转轴通过壳身底壳5-6上的密封轴套穿出壳身底壳5-6，旋转轴的头部连接螺旋桨9；通讯模块孔5-10和传感器模块孔5-11上分别安装通讯模块12和传感器模块13并密封。
壳体头1的壳头仓体1-4的右端和壳身仓体5-1的左端紧固密封连接，微型潜航装置内部形成密闭空间，内压板1-5的右端压在舵机15的顶端；太阳能电池板4固定在壳身仓体5-1的上端平面上，太阳能电池板4的左端被上压板1-3进一步压牢固定；壳体头1和壳身5固定连接后及内部部件安装完成后，使整体的重心在微型潜航装置下部的中间位置，并通过配重使装置的整体密度小于等于工作水域密度的0.9。
本发明中的太阳能电池板4可选装带自动折叠功能的电池板。
本发明中的半封闭超薄金属壳体的设计工艺和金属3D打印方法如下：
壳体头1和壳身5选用材质为镁铝合金，技术参数为：镁铝合金牌号：AZ91D，粒径分布范围26-68微米，平均粒径44.5微米，化学成分如下表：
壳体头1的设计工艺和金属3D打印方法如图12和图13所示：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板A，基板A上放置镁铝合金粉末，基板A预热温度120℃，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm。
（2）在基板A上首先3D打印烧结镁铝合金面支撑A3，如图12所示，厚度1-2mm，激光扫描方式采用棋盘式扫描方式；面支撑A3成型完成后继续烧结壳头仓体1-4，即XT圆弧面、NR直板面，XT圆弧面和NR面一体化成型，激光扫描方式采用同心式扫描，厚度0.2-0.4mm；同步烧结内压板1-5，即WS直板面；同步烧结上压板1-3的PQ直板面部分；同步烧结内支撑板1-2，即LN面下的网格式点支撑A1，网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入内支撑板1-2深度0.2mm。
（3）烧结成型到X和P点所在平面，激光头烧结方向自动调整，开始烧结圆锥壳头1-1的XL锥形圆弧边和上压板1-3的PN斜面（75°≥∠MLN≥55°， 165°≥∠NPQ≥145°，烧结时不需加支撑），同步继续烧结内压板1-5的WS直板面，同步烧结WN面和LW面以下的圆形网格式点支撑A1，一直烧结到LW所在圆环平面。
（4）在网格式点支撑A1下，开始烧结内支撑板1-2的LW圆环平面；同步继续烧结LM、NM锥形圆弧边（75°≥∠MNL≥55°，75°≥∠MNL≥55°，烧结时不需加支撑，）直到烧结到M点，完成壳体头1的3D打印过程。
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷。
（6）表面处理：利用抛光工具为壳体头1的内、外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用打磨工具将图3所示壳头仓体1-4的XT和NR的右端打磨出内倒角。
壳身5的设计工艺和金属3D打印方法如图7和图14所示：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板A，基板A预热温度120℃，基板A上放置镁铝合金粉末，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm。
（2）首先在基板A上3D打印烧结成型镁铝合金面支撑A3，激光扫描采用棋盘式扫描方式，厚度2-3mm，面支撑A3成型完成后继续烧结导向翼5-7的下端，同步在面支撑A3上烧结底壳5-6下侧的混合支撑，混合支撑包括网格点支撑A1、线支撑A2和十字支撑A5，激光扫描采用带状扫描方式，网格式点支撑A1的网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入壳身底壳5-6深度0.2mm；线支撑A2边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳5-6深度0.2mm；十字支撑A5边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳5-6深度0.2mm。
（3）导向翼5-7和混合支撑烧结完成后，在导向翼5-7和混合支撑的共同支撑下，开始烧结底壳5-6圆形平面，底壳5-6的厚度设置为0.4-0.8mm。
（4）底壳5-6烧结完成后，继续烧结壳身仓体5-1，同步烧结电机固定架5-8、壳身筋板5-5、电池固定板5-9，其中壳身仓体5-1的厚度为0.2-0.4mm，电机固定架5-8为空心类圆柱形，内径和电机8的外形尺寸和形状相同，厚度为0.2-0.3mm，壳身筋板5-5的厚度为0.2-0.3mm，电池固定板5-9的厚度为0.2-0.3mm；烧结壳身仓体5-1过程中，壳身筋肋5-4的∠f≤40°，厚度0.4-0.6mm，不需要支撑直接烧制；吊架5-3的∠g≤40°，厚度0.2-0.4mm，y的宽度2-3mm，不需要支撑直接烧制；磁铁固定架5-2的∠h≤40°，厚度0.2-0.4mm，z的宽度1.5-2mm，不需要设置支撑直接烧制；舵机安装平面5-12为壳身仓体5-1的内圆弧面加厚烧结成一个平面，便于舵机15稳定安装；烧结到壳身仓体5-1的上端，口径收缩烧结并与壳头仓体1-4的外径相等。
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷。
（6）表面处理：利用抛光工具为壳身5的外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用抛光液高速冲刷壳身5内部进行抛光，去除内部金属残渣。
本微型潜航装置被投放到预定水域后的状态：本装置整体为密封状态，装置的整体密度设置低于工作水域密度的0.9，电磁铁6的运动柱对连接套7-2处于拉力吸附状态，使平衡架7保持水平，内部的水银等配重液态在右容器7-5内，此时本微型潜航装置保持水平状态，且内部构件的重心在壳身5的下部中间位置，因此，本装置水平漂浮在水面上，太阳能电池板4能够始终朝上露出水面受太阳照射为充电电池11充电。
水面巡游侦测模式：在控制器10的控制下，充电电池11为电机8提供能源，电机8驱动螺旋桨9转动，在舵机15驱动的方向舵14的导向控制下，实现水面机动运动；摄像头3的取景器透过透镜2能够进行水面上和水面下的视频采集；通讯模块12和传感器模块13能够实现信息通讯和相应数据采集。
水下侦测模式：控制器10控制电磁铁6的运动柱向下运动，推动连接套7-2同步运动，进而左容器7-1向下运动，右容器7-5向上运动，右容器7-5内的水银类液体流入左容器7-1内，微型潜航装置的整体重心移动到了左下侧，壳体头1倾斜朝下，此时螺旋桨9转动后使整个装置倾斜向水下运动，实现对水下的探测侦查；当圆锥壳头1-1和上压板1-3的∠MNP<180°时，MNP为斜面，向水下运动时，MNP面的阻力要大于MLX面，通过控制MNP的角度，能够控制微型潜航装置向水下运动的倾斜度；当微型潜航装置下潜到预定深度时，控制螺旋桨9停止转动，电磁铁6的运动柱将平衡架7拉起，水银类液体流回右容器7-5，微型潜航装置恢复水平状态，由于微型潜航装置的整体密度低于周边水域密度的0.9，微型潜航装置自主缓慢上浮到水面，且上浮过程中能够持续保持探测侦查的功能；上浮到水面后，太阳能电池板4为充电电池11充电。
集群投放侦测方式：将多个微型探测装置投放到预定水域，各个单体的工作状态不一，能够实现对水面和水底侦查探测数据的多来源同步采集。
能够在微型潜航装置内的透镜2旁边加装微型自毁功能，在设定的时间内控制器10不能获得通讯数据，认定该个体失去了与基地的联络，控制器10控制自毁装置破坏最薄弱的透镜处或密封处，装置内进水后即会下沉水底。
基于上述的实施情况，通过金属3D打印工艺加工镁铝合金外壳，相比于其它金属镁铝合金的密度小，强度高，在保证强度的情况下能成型厚度薄，并且内部各种支撑、固定架、筋肋等能够一体成型，大幅减轻了外壳重量。

Claims (10)

1.一种微型潜航装置，其特征在于包括半封闭金属壳体头（1）和壳身（5），金属壳体头（1）和壳身（5）紧固密封连接，形成一个密封壳体；所述壳体头（1）主体为圆锥形，所述壳身（5）主体为一侧端面封闭的圆柱形，壳身（5）外表面贴附有太阳能电池板（4），壳身（5）内部固设有充电电池（11）、控制器（10）、通讯模块（12）和传感器模块（13），壳身（5）封闭端面处设有螺旋桨（9），壳身（5）侧面设有方向舵（14），壳身（5）内部中心处设有平衡架（7），所述平衡架（7）包括左容器（7-1）、右容器（7-5）和硬质的导管（7-3），导管（7-3）把左容器（7-1）和右容器（7-5）连通并密封，左容器（7-1）为向上凸起的半圆球形容器，其下平面与导管（7-3）保持水平，右容器（7-5）为向下凸起的锥形容器，上倾斜面与导管（7-3）保持水平，在左容器（7-1）、右容器（7-5）和导管（7-3）内装有盛装高密度液体，所述导管（7-3）中部设有连接架（7-4），连接架（7-4）与壳身（5）内壁挂接，靠近左容器（7-1）的导管（7-3）表面设有金属连接套（7-2），连接套（7-2）正上方设有固定于壳身（5）内壁的电磁铁（6），电磁铁（6）与连接套（7-2）相互吸引，电磁铁（6）调节平衡架（7）的摆动，促使高密度液体在左容器（7-1）和右容器（7-5）之间流动。
2.根据权利要求1所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述壳体头（1）包括圆锥壳头（1-1）、内支撑板（1-2）、上压板（1-3）、壳头仓体（1-4）和内压板（1-5），壳体头（1）为3D打印一体成型的圆锥形，圆锥壳头（1-1）作为圆锥形的侧面，在圆锥壳头（1-1）表面设有透镜（2），内支撑板（1-2）作为圆锥形的底面，内支撑板（1-2）上固定有摄像头（3），摄像头（3）与透镜（2）对正，内支撑板（1-2）设有圆孔；壳头仓体（1-4）与所述壳身（5）密封连接，上压板（1-3）位于壳头仓体（1-4）外侧，固定太阳能电池板（4），内压板（1-5）位于壳头仓体（1-4）内侧，固定方向舵（14）的驱动舵机（15）。
3.根据权利要求2所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述圆锥壳头（1-1）的锥顶角为55°～75°，上压板（1-3）与圆锥壳头（1-1）连接部分向外扩张，扩张角度为10°～20°。
4.根据权利要求1所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述壳身（5）是由半封闭的壳身仓体（5-1）和位于封闭端的导向翼（5-7）组成，其中壳身仓体（5-1）侧面是由一个平面部分和一个圆面部分围成，平面部分的外表面粘贴太阳能电池板（4），平面部分的内表面设有磁铁固定架（5-2）和吊架（5-3），其中磁铁固定架（5-2）固定电磁铁（6），吊架（5-3）吊装平衡架（7），圆面部分设有电池固定板（5-9）和孔舵机安装平面（5-12）。
5.根据权利要求4所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述壳身仓体（5-1）内表面周向分布有壳身筋肋（5-4），壳身仓体（5-1）内表面轴向分布有壳身筋板（5-5），所述壳身仓体（5-1）的壳身底壳（5-6）内表面上设有电机固定架（5-8）。
6.根据权利要求5所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述壳身筋肋（5-4）横截面为梯形，其底面夹角为20°～40°，所述吊架（5-3）横截面为梯形，其高度为2～3mm，底面夹角为20°～35°，所述磁铁固定架（5-2）横截面为梯形，其高度为1.5～2mm，底面夹角为20°～35°。
7.根据权利要求5或6所述的一种微型潜航装置，其特征在于所述壳身（5）及磁铁固定架（5-2）、吊架（5-3）、壳身筋肋（5-4）、壳身筋板（5-5）、电机固定架（5-8）、电池固定板（5-9）、孔舵机安装平面（5-12）为3D打印一体成型。
8.一种半封闭金属壳体的3D打印方法，其特征在于所述半封闭金属壳体为用于如权利要求1所述微型潜航装置中的壳体头（1），金属材质为镁铝合金，所述壳体头（1）的3D打印步骤包括：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板（A），基板（A）上放置镁铝合金粉末，基板（A）预热温度120℃，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm；
（2）在基板（A）上首先3D打印烧结镁铝合金面支撑（A3），厚度1-2mm，激光扫描方式采用棋盘式扫描方式；面支撑（A3）成型完成后继续烧结壳头仓体（1-4），壳头仓体（1-4）一体化成型，激光扫描方式采用同心式扫描，厚度0.2-0.4mm；同步烧结内压板（1-5）和上压板（1-3），同步烧结内支撑板（1-2）下表面的网格式点支撑（A1），网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入内支撑板1-2深度0.2mm；
（3）烧结成型到上压板（1-3）与壳头仓体（1-4）后，激光头烧结方向自动调整，开始烧结圆锥壳头（1-1）与上压板（1-3）、壳头仓体（1-4）的衔接部分，烧结时不需加支撑，同步继续烧结内压板（1-5）直板面，同步烧结圆形网格式点支撑（A1），一直烧结到内支撑板（1-2）下表面；
（4）在网格式点支撑（A1）下，开始烧结内支撑板（1-2），同步继续烧结圆锥壳头（1-1）倾斜部分，直到圆锥壳头（1-1）顶点，完成壳体头（1）的3D打印过程；
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷；
（6）表面处理：利用抛光工具为壳体头1的内、外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用打磨工具将壳头仓体（1-4）端部打磨出内倒角。
9.一种半封闭金属壳体的3D打印方法，其特征在于所述半封闭金属壳体为用于如权利要求1所述微型潜航装置中的壳身（5），金属材质为镁铝合金，所述壳身（5）的3D打印步骤包括：
（1）在金属3D打印机的内部工作平台上固定一块平面基板（A），基板（A）预热温度120℃，基板（A）上放置镁铝合金粉末，成型仓内置氩气环境，含氧量阈值500ppm，循环泵频率37Hz，激光功率180W，光斑直径70微米，激光扫描速度450mm/s，扫描间距80μm，分层厚度50μm；
（2）首先在基板（A）上3D打印烧结成型镁铝合金面支撑（A3），激光扫描采用棋盘式扫描方式，厚度2-3mm，面支撑（A3）成型完成后继续烧结导向翼（5-7）的下端，同步在面支撑（A3）上烧结底壳（5-6）下侧的混合支撑，混合支撑包括网格点支撑（A1）、线支撑（A2）和十字支撑（A5），激光扫描采用带状扫描方式，网格式点支撑（A1）的网格间距0.6-0.7mm，网格边缘延伸长度0.3mm，单个网格边长2mm，网格齿高0.5mm，齿宽0.3mm，嵌入壳身底壳（5-6）深度0.2mm；线支撑（A2）边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳（5-6）深度0.2mm；十字支撑（A5）边缘延伸长度0.3mm，宽度0.3mm，嵌入壳身底壳（5-6）深度0.2mm；
（3）导向翼（5-7）和混合支撑烧结完成后，在导向翼（5-7）和混合支撑的共同支撑下，开始烧结壳身底壳（5-6）圆形平面，壳身底壳（5-6）的厚度设置为0.4-0.8mm；
（4）壳身底壳（5-6）烧结完成后，继续烧结壳身仓体（5-1），同步烧结电机固定架（5-8）、壳身筋板（5-5）、电池固定板（5-9），其中壳身仓体（5-1）的厚度为0.2-0.4mm，电机固定架（5-8）为空心类圆柱形，内径和电机（8）的外形尺寸和形状相同，厚度为0.2-0.3mm，壳身筋板（5-5）的厚度为0.2-0.3mm，电池固定板（5-9）的厚度为0.2-0.3mm；烧结壳身仓体（5-1）过程中，壳身筋肋（5-4）的∠f≤40°，厚度0.4-0.6mm，不需要支撑直接烧制；吊架（5-3）的∠g≤40°，厚度0.2-0.4mm，y的宽度2-3mm，不需要支撑直接烧制；磁铁固定架（5-2）的∠h≤40°，厚度0.2-0.4mm，z的宽度1.5-2mm，不需要设置支撑直接烧制；舵机安装平面（5-12）为壳身仓体（5-1）的内圆弧面加厚烧结成一个平面，便于舵机（15）稳定安装；烧结到壳身仓体（5-1）的上端，口径收缩烧结并与壳头仓体（1-4）的外径相等；
（5）整体烧结完毕后，待冷却到常温，进行成型后的热处理工艺，包括固溶处理和人工时效：去除支撑、打磨后，用无水乙醇进行清洗，擦干后内外表面均匀涂抹一层石墨粉，用铝箔纸包裹；在气氛保护加热炉中进行固溶处理，1小时加热至415℃，保温24小时，放入80℃热水中2秒后取出空冷；在气氛保护加热炉中进行人工时效，20分钟加热至175℃，保温16小时，取出空冷；
（6）表面处理：利用抛光工具为壳身（5）的外表面抛光，利用钻孔工具在前端的圆锥面上、下侧开设两个孔，利用抛光液高速冲刷壳身（5）内部进行抛光，去除内部金属残渣。
10.根据权利要求8或9所述的一种半封闭金属壳体的3D打印方法，其特征在于所述镁铝合金粒径分布范围26-68微米，化学成分按质量百分比为：镁90%~92%，铝8%~10%，锌0.5%~0.8%，锰0.1%~0.4%，铁0~0.003%，硅0~0.05%， 铜0~0.005%，其余为杂质。
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