本發(fā)明涉及一種利用3d打印技術(shù)制作傳感器的方法，屬于利用3d打印技術(shù)制作傳感器的方法技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在開發(fā)傳感器的過程中，完成了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)后，如何將設(shè)計(jì)好的傳感器加工出來是設(shè)計(jì)人員面臨的一大問題。傳統(tǒng)的產(chǎn)品成型工藝包括鑄造、塑性加工、焊接、cnc車床加工等，通常而言，傳統(tǒng)的成型技術(shù)在傳感器開發(fā)方面具有以下不足：

1、加工周期長(zhǎng)

傳統(tǒng)的成型技術(shù)在設(shè)計(jì)完成后，需要將所涉及的三維設(shè)計(jì)圖首先轉(zhuǎn)化為二維平面圖，再交給專業(yè)的工廠進(jìn)行制作。整個(gè)過程需要雙方技術(shù)人員頻繁的溝通，以將設(shè)計(jì)意圖全部傳達(dá)給生產(chǎn)廠家，這不僅涉及到技術(shù)保密的問題，而且整個(gè)過程費(fèi)時(shí)費(fèi)力，大量的時(shí)間被用在了等待上面，且往往最終得到的產(chǎn)品還與設(shè)計(jì)初衷有所偏差，不利于傳感器的初期開發(fā)。

2、小批量生產(chǎn)造價(jià)昂貴

對(duì)于傳統(tǒng)成型技術(shù)而言，隨著生產(chǎn)線的完善，制造成本會(huì)隨著產(chǎn)量的增加而不斷下降，因此在一個(gè)成熟的傳感器達(dá)到量產(chǎn)階段后，采用傳統(tǒng)成型技術(shù)進(jìn)行流水線式的生產(chǎn)是可以有效控制成本的。然而，在傳感器研發(fā)初期，往往需要針對(duì)傳感器進(jìn)行小批量的試制，并通過室內(nèi)室外實(shí)驗(yàn)來不斷優(yōu)化傳感器的設(shè)計(jì)，若采用傳統(tǒng)成型技術(shù)，高昂的制造成本將大大提高傳感器的開發(fā)門檻。

3、難以加工復(fù)雜外形的傳感器

針對(duì)傳統(tǒng)的成型技術(shù)，以車床加工為例，需要針對(duì)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)一套加工流程，而且許多非標(biāo)準(zhǔn)形狀的工件加工起來極其困難(如橢圓，不規(guī)則表面等)，而迫使設(shè)計(jì)人員不得不放棄一些原本很好的設(shè)計(jì)，且設(shè)計(jì)人員需具有一定的成型經(jīng)驗(yàn)，從而在設(shè)計(jì)中規(guī)避一些實(shí)現(xiàn)起來比較困難的方案，這無疑大大提高了傳感器開發(fā)的門檻，同時(shí)也限制了許多非常有實(shí)用價(jià)值的設(shè)計(jì)。

4、加工精度受限

傳統(tǒng)成型技術(shù)的加工精度受限于不同加工方式。其中加工精度比較高的如cnc數(shù)控機(jī)床，國(guó)內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)可達(dá)到0.01mm，而世界領(lǐng)先技術(shù)可達(dá)到0.0001mm，這樣的精度是可以用于制作傳感器的，但其造價(jià)過于昂貴，特別是進(jìn)行小批量的試制。而價(jià)格較為低廉的傳統(tǒng)機(jī)床，精度依操作人員水平、設(shè)備情況而有很大差異，難以定量分析，這對(duì)于傳感器初期的研究，特別是結(jié)合起和尺寸關(guān)聯(lián)性極大的有限元模擬等室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，是十分不利的。因此，利用傳統(tǒng)成型技術(shù)進(jìn)行傳感器的加工，無疑會(huì)給制造者帶來較大的不便。

近年來，3d打印技術(shù)的發(fā)展為傳感器的制造提供了新的思路。3d打印技術(shù)是一項(xiàng)革命性的技術(shù)，其思想起源于19世紀(jì)末，美國(guó)的一項(xiàng)分層構(gòu)造地貌地形圖的專利，隨后在美國(guó)迅速發(fā)展。我國(guó)則在20世紀(jì)90年代初開始3d打印技術(shù)的研發(fā)，其中以華中科技大學(xué)的lom、sls裝備，西安交通大學(xué)的sl裝備和北京航空航天大學(xué)的激光快速成型裝備最具代表性。

與傳統(tǒng)的加工方式相比，3d打印通過使用特制的設(shè)備將材料一層層地噴涂或熔結(jié)到三維空間中，逐層完成對(duì)象的制作，極大地降低了制造的復(fù)雜程度。首先突破了傳統(tǒng)制造技術(shù)在形狀復(fù)雜性方面的技術(shù)瓶頸，能快速制造出傳統(tǒng)工藝難以加工的復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)特征。而傳感器為了實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊物理量的測(cè)量，通常具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，若采用傳統(tǒng)加工制造代價(jià)高昂，甚至難以實(shí)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，進(jìn)而提供一種利用3d打印技術(shù)制作傳感器的方法。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種利用3d打印技術(shù)制作傳感器的方法，

步驟一、傳感器設(shè)計(jì)：利用三位建模軟件進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)，以獲得用于3d打印的數(shù)字化三維模型；

步驟二、3d打?。焊鶕?jù)傳感器的設(shè)計(jì)要求，選擇3d打印材料進(jìn)行3d打印；

步驟三、傳感器三維模型的切片與曲面的近似：打印傳感器，3d打印逐層添加材料，將三維模型轉(zhuǎn)變?yōu)榘蛴有畔⒌拇蛴∧Ｐ?；切片層是一個(gè)有復(fù)雜底面的柱體，它將薄層外側(cè)表面簡(jiǎn)單化為與底面相互垂直，這時(shí)切片的輪廓是連續(xù)的曲線，形成具有復(fù)雜曲面的實(shí)體是有很多個(gè)小臺(tái)階的片層堆積的結(jié)果，打印頭行至輪廓處時(shí)將停止并另起一行，打印機(jī)的打印形成的薄層其輪廓就不再是連續(xù)的曲線，而是鋸齒狀的，將材料添加的行寬和打印頭行走的步長(zhǎng)控制的足夠小，最終形成的輪廓其光滑程度滿足工程要求；

步驟四、傳感器模型的薄層打印與疊加：依照切片模型，打印機(jī)將按照工藝設(shè)計(jì)要求智能化的規(guī)劃并生成打印路徑，連續(xù)的材料堆積其長(zhǎng)度為打印機(jī)前進(jìn)步長(zhǎng)的長(zhǎng)度，寬為打印行寬，高為打印層高度的微小體積塊的堆砌，被添加材料與已打印材料之間的連接是通過施加熱源達(dá)到原子尺度的結(jié)合，或者通過膠水膠接或光化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)的連接，逐層的堆疊最終便形成了傳感器實(shí)體；

步驟五、傳感器打印后處理：通過打磨或表面的切削加工達(dá)到工程實(shí)際對(duì)表面粗糙度要求、將金屬打印件放入熱處理爐進(jìn)行熱處理以消除其殘余應(yīng)力并防止開裂或變形。

所述三位建模軟件為solidworks，ug或pro/engineer。

所述3d打印材料為工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料或陶瓷材料。

本發(fā)明的3d打印方法制作周期短，跳過了傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)和機(jī)械加工制造等復(fù)雜環(huán)節(jié)，對(duì)于常規(guī)尺寸的傳感器，從設(shè)計(jì)完成到打印出來通常僅需要幾個(gè)小時(shí)的時(shí)間，同時(shí)打印過程安靜，清潔，占地面積小，不需要復(fù)雜的生產(chǎn)線，降低了生產(chǎn)成本，特別是在傳感器設(shè)計(jì)初期，由于方案的不確定性，利用3d打印技術(shù)進(jìn)行傳感器的初步實(shí)驗(yàn)，一方面可以真實(shí)的探究傳感器設(shè)計(jì)的可行性，一方面制作周期短，大大提高了傳感器的研發(fā)效率。

此外，3d打印技術(shù)可選的打印材料豐富，目前，3d打印材料主要包括工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料和陶瓷材料等，除此之外，彩色石膏材料、人造骨粉、細(xì)胞生物原料以及砂糖等食品材料也在3d打印領(lǐng)域得到了應(yīng)用。其中的某些材料，有著優(yōu)異的物理特性，但因?yàn)榧庸だщy導(dǎo)致制作成本過高，從而無法在傳感器領(lǐng)域得到應(yīng)用，例如陶瓷材料，橡膠材料等。利用3d打印技術(shù)，可以大大豐富傳感器制作材料的選擇，例如針對(duì)高應(yīng)力水平的結(jié)構(gòu)可選用高模量材料進(jìn)行傳感器的打印以確保其成活率，對(duì)于低應(yīng)力水平的結(jié)構(gòu)可以選用低模量材料以確保測(cè)試精度的要求。

3d打印技術(shù)成本低廉，由于3d打印技術(shù)無需對(duì)材料進(jìn)行處理，而是直接將材料一層層的堆積形成實(shí)物，大大減少了材料的浪費(fèi)，簡(jiǎn)化了制作流程，降低了制作成本。而傳統(tǒng)的加工技術(shù)，特別是傳感器研發(fā)初期進(jìn)行小批量試制時(shí)，由于沒有形成生產(chǎn)規(guī)模，其制作成本十分高昂，大大提高了傳感器開發(fā)的資金門檻，不利于本領(lǐng)域普通工程技術(shù)人員的研究。

本發(fā)明3d打印技術(shù)精度可滿足制作一般傳感器的要求。通常而言，針對(duì)不同的3d打印材料，由于本身的材質(zhì)特性及不同的打印原理，其打印精度會(huì)有所不同。如常見的pla塑料，打印精度一般可達(dá)0.2mm，而光敏樹脂，尼龍，不銹鋼等材質(zhì)可達(dá)到0.1mm，超高精度樹脂甚至可以達(dá)到0.015mm的打印精度，對(duì)比傳統(tǒng)的車床加工，優(yōu)勢(shì)明顯。同時(shí)可以根據(jù)傳感器尺寸，元器件的精度要求選擇不同精度的打印方式，從而在滿足設(shè)計(jì)需求的前提下，盡可能的降低成本。

具體實(shí)施方式

下面將對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明：本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。

本實(shí)施例所涉及的一種利用3d打印技術(shù)制作傳感器的方法，包括以下步驟：

一、傳感器設(shè)計(jì)：

利用三位建模軟件進(jìn)行傳感器的設(shè)計(jì)，以獲得用于3d打印的數(shù)字化三維模型，之后根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選擇打印材料進(jìn)行3d打??；

二、傳感器三維模型的切片與曲面的近似：

由于在打印傳感器時(shí)，3d打印逐層添加材料，所以需要將三維模型轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌虬蛴有畔⒌拇蛴∧Ｐ停瑢?shí)際上打印層也是一個(gè)三維實(shí)體，但是由于打印機(jī)所實(shí)現(xiàn)的單層材料添加是有限的，真實(shí)的生產(chǎn)中也很薄，更多時(shí)候認(rèn)為切片層是一個(gè)有復(fù)雜底面的柱體，它將薄層外側(cè)表面簡(jiǎn)單化為與底面相互垂直，這時(shí)切片的輪廓是連續(xù)的曲線，這樣形成的具有復(fù)雜曲面的實(shí)體將是有很多個(gè)小臺(tái)階的片層堆積的結(jié)果，但這并不是最終的結(jié)果，因?yàn)椴牧显谀骋粏螌拥奶砑邮前凑沾蛴≤壽E添加的，打印頭行至輪廓處時(shí)將停止并另起一行，這樣打印機(jī)的打印形成的薄層其輪廓就不再是連續(xù)的曲線，而是銀齒狀的，只要將材料添加的行寬和打印頭行走的步長(zhǎng)控制的足夠小，最終形成的輪廓其光滑程度將能滿足工程要求，同樣，切片層厚度的足夠小，也將使得最終的打印產(chǎn)品的復(fù)雜曲面有足夠的表面光滑。

三、傳感器模型的薄層打印與疊加：

依照切片模型，打印機(jī)將按照工藝要求智能化的規(guī)劃并生成打印路徑，當(dāng)然目前一些高端的打印機(jī)是支持人為打印軌跡優(yōu)化的，打印軌跡的合理與否將直接影響打印件的力學(xué)性能和幾何精度。對(duì)于特定的打印機(jī)其打印的行寬和前進(jìn)的步長(zhǎng)是在一定范圍能可調(diào)的，也可以認(rèn)為連續(xù)的材料堆積是有長(zhǎng)為打印機(jī)前進(jìn)步長(zhǎng)的長(zhǎng)度，寬為打印行寬，高為打印層高度的微小體積塊的堆砌，被添加材料與已打印材料之間的連接一般是通過施加熱源達(dá)到原子尺度的結(jié)合，也有通過膠水膠接或光化學(xué)反應(yīng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的連接，層內(nèi)的顆粒之間以及層與層之間的連接都是基于這樣的原理，逐層的堆疊最終便形成了傳感器實(shí)體，它將虛擬的數(shù)字化模型直接轉(zhuǎn)變?yōu)榱丝陀^實(shí)在的傳感器，當(dāng)然也許以后為了提高打印的速度或是優(yōu)化打印產(chǎn)品的性能，會(huì)出現(xiàn)多頭多區(qū)域多材料的打印，即便是那樣也只是上述過程的并行化實(shí)施；

四、傳感器打印后處理：

目前所實(shí)現(xiàn)的許多3d打印還沒有達(dá)到極高的傳感器性能表面的要求，往往需要進(jìn)行后續(xù)的一些處理，例如通過打磨或表面的切削加工達(dá)到工程實(shí)際對(duì)表面粗糙度要求、將金屬打印件放入熱處理爐進(jìn)行熱處理以消除其殘余應(yīng)力并防止裂和變形。

所述三位建模軟件為solidworks、ug或pro/engineer。

所述3d打印材料為工程塑料、光敏樹脂、橡膠類材料、金屬材料或陶瓷材料。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，這些具體實(shí)施方式都是基于本發(fā)明整體構(gòu)思下的不同實(shí)現(xiàn)方式，而且本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。