基于3d打印的介电常数梯度绝缘子制造装置及方法
【专利说明】
【技术领域】
[0001]本发明属于高电压设备制造领域，具体涉及基于3D打印的介电常数梯度绝缘子制造装置及方法。
【【背景技术】】
[0002]近年来，随着电力系统超/特电压、大容量输电的发展需求，以及脉冲功率、激光、微波等高新技术装备向高电压、小型化、高可靠性的方向发展，其电气绝缘问题日趋突出。其中，电场分布不均匀而带来的绝缘耐电性能薄弱是高压电力、脉冲功率等装备及器件中广泛存在的难题，给设计、制造带来很高的技术难度和成本。我国电力系统中气体绝缘开关设备的环氧盆式绝缘子闪络击穿事故频发，特别是100kV特高压GIS，自2008年首个示范工程运行至今已出现多起故障，严重危及系统的安全可靠运行。在脉冲功率设备中也存在着类似的问题，由于对设备紧凑性的苛刻要求，其固体绝缘子放电问题尤为突出。我国、美国、俄罗斯、日本等一些机构的脉冲功率设备(如速调管、加速器、Z箍缩装置等)都曾发生过真空中绝缘子击穿引起的事故。由此可见，高电压、强电场下绝缘放电破坏现象已成为影响、制约电力设备和脉冲功率装备整体性能的关键问题。
[0003]一般认为，电场分布不均匀是导致绝缘击穿破坏、耐电特性差的重要原因。对于绝大多数的高电压设备，其绝缘所承受的电场分布往往极不均匀，例如各种绝缘子的高压端部分，尤其是不同材料之间的结合处(即金属导体、固体绝缘与气、液、真空等构成的复合绝缘系统的界面和表面)，由于材料介电特性的急剧变化，场强集中的问题尤为突出，这些区域所承受的电场强度要远远超出平均场强，甚至达到平均值的数倍。过于集中的电场强度会带来绝缘子的局部放电，加剧绝缘材料的老化，进而发展为击穿破坏。传统的解决方法主要是通过增大绝缘尺寸、优化电极-介质结构来改善电场分布，但效果往往有限。过于复杂的绝缘结构不仅给生产制造带来很大的难度和成本，也难以实现装备的“小型化、集成化”，同时也会带来很多附生问题。“功能梯度材料”(Funct1nally Graded Material, FGM)的出现为解决这一问题提供了可能的思路。通过使用不同性能的材料及先进的复合工艺，使材料特性在材料内部不同空间位置上呈现连续梯度变化，这样可以“主动”地克服局部应力集中问题。类似地，若制作材料介电特性(如介电常数)呈现梯度变化的绝缘子，此处介电常数由外电极向内电极渐变递增，就能够“主动”而有效地降低内电极处最大场强、削弱局部集中，进而达到大幅度提高绝缘子耐电强度、解决目前高压设备绝缘子应用困境的目的。
[0004]长期以来，FGM绝缘子是高电压绝缘领域很多研宄者追求的目标，然而其受制于一个核心问题:如何实现介电梯度可调控材料的制备？日本名古屋大学Okubo教授团队尝试借助无机填料离心制造技术，构建了外形结构为圆台和盘型的聚合物-无机非金属复合材料FGM绝缘子，发现其可有效地降低最大电场，这是国际上唯一的关于介电梯度绝缘子制造的报道。然而，该技术的可控性较差，难以可重复性地精确制造，且该项技术只能实现单个空间维度上的介电常数分布，无法真正有效的进行绝缘子的电场调控。近年来，以材料累积成型为3D打印技术为FGM绝缘子提供了全新的实现手段。3D打印是随信息、材料与制造等多学科融合发展起来的一种先进制造技术，其核心原理是使材料“逐点累积形成面、逐面累积成体”。该技术的优势在于可方便地结合计算机辅助设计与分析，通过拓扑优化解决FGM部件内外复杂结构的一体化设计与制造，有利于发展出新型功能驱动的材料-结构-性能一体化的创新设计方法，这无疑为介电功能梯度绝缘部件的实现提供了新契机。然而，目前3D打印技术主要还是用于复杂结构零件的制造，对于电气设备绝缘子这种功能性设备，其应用尚不多见；且对于目前的3D打印技术，其制成品往往存在着较多的内部气泡和缺陷，难以用于高电压设备绝缘子的制造。
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【发明内容】
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[0005]本发明的目的在于提供基于3D打印的介电常数梯度绝缘子制造装置及方法，通过在制造过程中控制逐点累积时单点材料的介电参数，实现有效、可控、多维度地进行绝缘子电场调控。
[0006]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0007]基于3D打印的介电常数梯度绝缘子制造装置，包含真空腔、3D打印装置和控制设备；3D打印装置设置于所述真空腔内；3D打印装置包括供料系统、3D打印头、一套X、Y、Z三轴移动装置和一个工作台；3D打印装置通过控制设备进行原料供给、混合、挤出以及打印头X、Y及Z向位置的控制，最终完成介电常数功能梯度绝缘子在工作台上的打印。
[0008]本发明进一步的改进在于:真空腔包括箱体、箱门、放气阀、抽气阀、一号进料阀、二号进料阀、控制电缆接头和压力表；箱门闭合时与箱体形成密闭内腔；放气阀、抽气阀、一号进料阀和二号进料阀均设置在箱体侧壁上，且通过管道与箱体相连；电缆接头固定在箱体侧壁上；压力表与箱体通过管道直接相连。
[0009]本发明进一步的改进在于:3D打印装置中，供料系统由一号储料罐、二号储料罐以及真空腔上的一号进料阀和二号进料阀；一号储料罐和二号储料罐固定在真空腔内，其入口分别与一号进料阀和二号进料阀相连接；一号储料罐和二号储料罐的出口通过送料泵和不锈钢波纹管与3D打印头的混合装置相连接，用于3D打印头原料的供给。
[0010]本发明进一步的改进在于:3D打印头包括混合装置、挤出头和紫外光源；其中，混合装置和紫外光源均固定在X、Y、Z三轴移动装置上，挤出头位于混合装置下方。
[0011]本发明进一步的改进在于:混合装置由两个进料口，一个铝质混料腔，一个铝质搅拌螺杆，一个铝质加热器和一个半导体温度传感器构成；挤出头由喷嘴和驱动装置构成。
[0012]本发明进一步的改进在于:控制设备接收操作人员使用计算机建模生成的3D打印装置控制信息，其控制信号的输出接口连接3D打印装置；所述控制设备设置于真空腔外部。
[0013]基于3D打印的介电常数梯度绝缘子制造方法，包含以下步骤:
[0014]步骤1:准备一号光固化型环氧树脂和二号光固化型环氧树脂；所述二号光固化型环氧树脂的介电常数大于一号光固化型环氧树脂的介电常数；
[0015]步骤2:根据实际电气绝缘结构的机械性能和耐电性能需求，构建绝缘子几何形状和介电常数空间分布三维模型，将三维模型按照预先设定的层厚模拟分割成不同的层面，并计算得到每层的打印轨迹和层内单点材料的介电常数取值；
[0016]步骤3:通过一号进料阀和二号进料阀将步骤I准备的一号光固化型环氧树脂和二号光固化型环氧树脂分别送入真空腔内的一号储料罐和二号储料罐中；使用真空泵对真空腔抽真空，进行一号光固化型环氧树脂和二号光固化型环氧树脂的真空脱气；
[0017]步骤4:控制设备按照所打印单点材料所需的体积以及该点材料的介电常数，控制送料泵将一号储料罐和二号储料罐中一号光固化型环氧树脂和二号光固化型环氧树脂送入混合装置中混合均匀；
[0018]步骤5，使用挤出头将步骤4混合好的树脂液滴挤出至工作台(14)，使用光源照射液滴，使其在光照的作用下固化，完成单点材料的3D打印；
[0019]步骤6:按照步骤2中得到的单层内打印头的移动轨迹和单层材料的介电常数分布，使用X、Y、Z三轴移动装置，在平面内移动打印头，重复步骤4和步骤5，完成单层材料的3D打印；
[0020]步骤7:向上移动打印头，重复步骤6，完成多层累加，最终实现介电常数梯度绝缘子的制造；
[0021]步骤8:将步骤7制造得到的绝缘子进行二次热固化和表面抛光。
[0022]本发明进一步的改进在于:一号光固化型环氧树脂为纯光固化型环氧树脂，或掺杂有助剂的光固化型环氧树脂；一号光固化型环氧树脂的介电常数3-5。
[0023]本发明进一步的改进在于:二号光固化型环氧树脂的制备方法为:以纯光固化型环氧树脂为基体树脂，在其中填充经过表面处理的，粒径为0.1??ο