一种基于成型方向的3D打印绝缘件打印方法与流程

本发明属于高电压设备制造领域，更具体地，涉及一种基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法。

背景技术：

绝缘件是将处于不同电位的导体在机械上固定，在电气上隔离的一种使用数量极大的高压绝缘部件。从功能和结构上可分为三类：

(1)绝缘件，用作带电体和接地体之间的电气绝缘和机械固定联接。如盘形悬式绝缘件、棒形悬式绝缘件、支柱绝缘件、横担绝缘件等。

(2)套筒，用作电器内绝缘的容器；由电瓷制成，或由环氧玻璃钢内筒外加硅橡胶护套制成。如互感器套筒、避雷器套筒及断路器套筒等。

(3)套管，用作导电体穿过电气设备外壳、接地隔板或墙壁的绝缘件；由空心绝缘件加内导杆制成。如穿越墙壁的穿墙套管，变压器、电容器的出线套管，以及全封闭组合电器(gis)的气体绝缘出线套管等。

近年来大力发展的超高压、特高压交、直流输电系统，对绝缘件的电气性能要求越来越高，设计的绝缘结构也越来越复杂，如果利用传统工艺来加工，需要经过“制泥-成形-上釉-烧成-瓷件检验-组装”等直到成品包装成型(湿法生产工艺)，制作工序繁冗复杂，有些复杂程度较高的绝缘件也无法用模具来完成。因此，传统制作工艺渐渐无法满足人们对绝缘件高气性能和复杂结构的需求。

近几十年，3d打印发展迅速，技术也越来越成熟，3d打印技术逐渐应用于各行业。这里可以通过3d打印技术制造传统工艺较难制备的各种结构复杂的绝缘件，并通过调整成型方向，来提高绝缘件的电气性能，满足其绝缘要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法，其充分结合3d打印成型方向对绝缘件电气性能的影响，从不同成型方向获得的3d打印样品中筛选具有最佳电气性能的成型方向，按照该最佳成型方向进行3d打印制作绝缘件，由此解决现有技术制备的绝缘件电气性能不佳的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法，包括如下步骤：

s1：按照不同的成型方向对绝缘件模型进行3d打印，获得不同成型方向的绝缘件模型样品，对所述样品进行电气性能测试，将具有最佳电气性能的成型方向作为最佳成型方向；

s2：按照电压等级的要求，完成绝缘件的3d建模，获得所述绝缘件的3d模型；

s3：将所述绝缘件的3d模型按照所述最佳成型方向进行切片处理，获得所述绝缘件的3d模型的逐层截面；

s4：根据所述绝缘件的3d模型的逐层截面，利用3d打印方法逐层打印成型，获得所述绝缘件。

优选地，步骤s1具体为：

s101：按照不同的成型方向对绝缘件模型进行3d打印，其中所述成型方向平行于所述绝缘件工作时的电场方向时，设置该成型方向对应的打印角度为90°；所述成型方向垂直于所述绝缘件工作时的电场方向时，设置该成型方向对应的打印角度为0°，在0°至90°之间设置不同的打印角度以获得不同的成型方向，打印后获得不同成型方向的绝缘件模型样品；

s102：对所述样品进行电气性能测试，即对步骤s101获得的不同成型方向的绝缘件模型样品进行直流击穿和交流击穿试验，根据不同成型方向的绝缘件模型样品的击穿电压大小，选择最佳成型方向；击穿电压越大，表明电气性能越好，将具有最佳电气性能的成型方向作为最佳成型方向。

优选地，所述最佳成型方向与绝缘件工作时的电场方向平行。

优选地，所述绝缘件模型样品为规则形状，所述规则形状为长方体、正方体、球体或椎体。

优选地，所述3d打印技术为选择性激光烧结技术。

优选地，所述切片的厚度为0.1mm。

优选地，所述3d打印采用尼龙粉末，获得尼龙材质的绝缘件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提出一种基于成型方向的3d打印绝缘件的打印方法，其通过改变3d打印绝缘件的成型方向，获得一系列绝缘件模型样品，通过对这些样品进行电流击穿试验，筛选得到具有最佳电气性能的成型方向，按照该成型方向进行3d打印制作绝缘件，具有良好的电气性能。本发明提出的基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法无论是对于单一材料还是符合材料的绝缘件3d打印均能适用，且获得的绝缘件电气性能良好，过电压和雷电过电压的作用，要求绝缘件应能承受这些电压的作用，不发生绝缘击穿。

(2)本发明提供的基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法不仅能够获得电气性能良好的绝缘件，而且由于采用激光选取烧结3d打印方法制作绝缘件，使得制备得到的绝缘件机械性能良好。采用尼龙材质的绝缘件进一步提高了其机械性能。

(3)本发明通过控制3d绝缘件的打印角度，选择最合适的成型方向，提高所述绝缘件的电气性能和机械性能；以解决目前传统工艺难以满足的复杂结构绝缘件的制造问题。与传统绝缘件打印方法相比，此方法快速、便捷且得到的产品尺寸精确；并且能够解决传统工艺中难以实现的复杂结构绝缘件制作问题，可以实现各种结构绝缘件的制备。

附图说明

图1是本发明绝缘件3d打印制造方法流程图。

图2是本发明中实施例中绝缘件3d打印方法中成型方向说明图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种基于成型方向的3d打印绝缘件打印方法，包括如下步骤：

s1：按照不同的成型方向对绝缘件模型进行3d打印，获得不同成型方向的绝缘件模型样品，对所述样品进行电气性能测试，将具有最佳电气性能的成型方向作为最佳成型方向。

s2：按照电压等级的要求，完成绝缘件的3d建模，获得所述绝缘件的3d模型。

具体方法为：按照各电压等级的要求，在满足相应的结构高度、绝缘距离和最小公称爬电距离的条件下，采用建模软件比如sldworks，进行计算机辅助设计，获得所述绝缘件的3d模型。

s3：将所述绝缘件的3d模型按照所述最佳成型方向进行切片处理，获得所述绝缘件的3d模型的逐层截面。

s4：根据所述绝缘件的3d模型的逐层截面，利用3d打印方法逐层打印成型，获得所述绝缘件。

一些实施例中，步骤s1具体为：

s101：按照不同的成型方向对绝缘件进行3d打印，其中所述成型方向平行于所述绝缘件工作时的电场方向时，设置该成型方向对应的打印角度为90°；所述成型方向垂直于所述绝缘件工作时的电场方向时，设置该成型方向对应的打印角度为0°，在0°至90°之间设置不同的打印角度以获得不同的成型方向，打印后获得不同成型方向的绝缘件模型样品。

s102：对所述样品进行电气性能测试，即对步骤s201获得的不同成型方向的绝缘件模型样品进行直流击穿和交流击穿试验，根据不同成型方向的绝缘件模型样品的击穿电压大小，选择最佳成型方向，击穿电压越大，表明电气性能越好，将具有最佳电气性能的成型方向作为最佳成型方向。

步骤s3中绝缘件模型样品可以为绝缘件本身的形状，也可以为了节省材料和成本，将绝缘件模型样品设计为规则形状，获得规则形状的最佳成型方向作为待打印绝缘件的最佳成型方向。

步骤s1和步骤s2没有先后次序，可以交换位置。

不同的打印角度会导致打印样品的内部结构有所不同从而影响样品的电气性能和机械性能。一些实施例中，为了选出最合适的成型方向，按照不同的打印角度即成型方向，打印出长方体模型样品，每种角度打印多个样品，均进行测试，取平均值。根据不同打印角度下的样品的击穿电压大小，选出最适合成型方向。

一些实施例中，所述最佳成型方向与绝缘件工作时的电场方向平行。可能的机理是，由于3d打印为一层层打印，3d打印方向即成型方向垂直于电场方向时，层与层之间的界面连接不致密可能导致打印得到的绝缘件内部存在纵向缺陷(以绝缘件正视图为例，成型方向为自左向右或自右向左的横向，绝缘件工作时两个电极分别位于绝缘件上端和下端，电场方向为自上而下的纵向方向，故成型方向垂直于电场方向)，而这一缺陷会导致绝缘件工作时在电场中容易被电压击穿，影响绝缘件的电气性能和使用寿命，而当3d打印方向即成型方向平行于电场方向时(成型方向为从上至下的纵向方向，而电场方向也为纵向，故二者方向平行)，此时绝缘件的电气性能显著增加。

为了提高绝缘件的机械性能，一些实施例中，所述3d打印技术为选择性激光烧结技术(sls)。与熔融沉积技术(fdm)相比，选择性激光烧结技术打印得到的绝缘件由于粉末吸收能量更大，粉末间的粘接更加紧密，具有更优异的力学性能。

一些实施例中，因尼龙12粉末具有选择性激光烧结技术所需的固定熔点及绝缘件所需的绝缘性能，所述3d打印采用尼龙粉末，获得尼龙12材质的绝缘件。

所述的打印方法，还包括步骤：

s4：将所述绝缘件从打印平台分离，用砂纸对所述绝缘件的表面进行打磨，使绝缘件表面光滑。

实施例：

以下为10kv复合绝缘件的3d打印方法：

s1：为了选出最合适的成型方向，按照不同的打印角度，打印出模型样品θ(0°，15°，30°，45°，60°，75°和90°)打印出尺寸为80mm×80mm×1mm(w×l×h)的长方体尼龙样品，打印角度θ定义如图2所示，其中ez表示电场方向，x轴表示水平方向，θ为打印方向和x轴的夹角，当θ为0°时打印方向与电场方向垂直，当θ为90°时打印方向与电场方向平行。对不同成型方向的样品分别进行直流击穿和交流击穿试验，试验在绝缘油中进行，每种角度打印6个样品，对每个角度的多个打印样品均进行测试，取平均值。根据不同打印角度下的样品的击穿电压大小，选出最适合成型方向。对不同打印角度的样品测试结果如下表：

根据上表中击穿电压测试结果可以看出打印角度为90°时具有最高的击穿电压值，该打印角度对于的成型方向即为最佳成型方向。因此选择将3d模型按θ＝90°方向进行切片处理，获得所述3d模型的逐层截面；

s2：按照10kv电压等级的要求，在满足结构高度(h＝365±10mm)、绝缘距离(h≥180mm)和最小公称爬电距离(l＝500mm)的条件下，采用sldworks建模软件，进行计算机辅助设计，获得所述绝缘件的3d模型。

s3：将所述绝缘件的3d模型按照所述最佳成型方向进行切片处理，获得所述绝缘件的3d模型的逐层截面。

s4：根据所述3d模型的逐层截面，利用激光烧结的方法将尼龙粉末盒内的粉末进行逐层打印成型，获得所述绝缘件；

s5：去除所述粉末盒内剩余的粉末并将所述绝缘件从打印平台分离；

该绝缘件采用sls打印时成型方向与绝缘件工作时电场方向平行，确保其具有良好的电气性能，同时sls能够保证该绝缘件具有优于其他3d打印方法更佳的力学性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。