一种基于3D打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法与流程

本发明涉及土木工程技术领域，尤其涉及一种基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法。

背景技术

压电陶瓷是一种能实现机械能、电能相互转换的信息功能陶瓷材料，其具有压电效应和介电性等。其中，压电陶瓷材料的压电效应表现为：在满足一定条件下，当向压电晶片元件施加机械变形时就会产生一个电信号；反之，当向压电晶片元件施加一个电信号时就会引起压电元件的变形。目前压电陶瓷材料在通讯、医学成像、自动测量与控制、雷达、超声马达、声纳、超声功率、声换能器和声传感器等方面已得到广泛应用。近些年，人们已开始将压电陶瓷材料作为新型传感器用于结构健康监测及损伤诊断技术等土木工程领域。

将压电陶瓷传感器用于土木工程领域并实现对材料及结构性能进行监测是一种新型监测方法；其中，在绝大部分情况下，压电陶瓷传感器需长期暴露在外部环境中或者埋入材料及结构内部。为保护压电陶瓷传感器，故对压电陶瓷传感器的封装十分重要。

需指出的是，目前传统压电陶瓷传感器的封装制作方法具有封装模具单一化、流程复杂、加工周期长、成本高、次品率高等缺点，且传统压电陶瓷传感器的封装制作方法很难实现封装效果的均一性，易造成每个压电陶瓷传感器的质量及监测精度差异较大，这就不利于压电陶瓷传感器的推广应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法，该基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法具有封装模具可设计、精度高、成型快、流程简单且封装后的压电陶瓷传感器均一性好的优点，并通过结合自动化生产技术来实现压电陶瓷传感器自动化封装作业及产业化，以达到有效提高压电陶瓷传感器的封装速度、工序、质量，以便更好的应用于材料及土木工程结构性能监测。

为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。

一种基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法，包括有以下步骤，具体的：

a、根据使用要求并通过cad软件对封装压电陶瓷传感器的封装模具进行模型设计，该封装模具包括有封装底模、封装侧模、封装上模；

b、选用打印材料，该打印材料为防水材料，并根据所选用的打印材料以及步骤a所设计的模具模型选定3d打印头的形状，而后将选定的3d打印头安装于3d打印机中；其中，3d打印机装设有用于移送压电陶瓷传感器的自动传感器移送装置、用于将焊锡滴送至压电陶瓷传感器的正极接电端和负极接电端的自动滴送焊锡装置、用于将导线移送至压电陶瓷传感器的滴锡位置的自动导线移送装置、用于将导线高温挤压焊接于压电陶瓷传感器接电端的自动高温挤压焊接装置、用于检测导线与压电陶瓷传感器接电端焊接是否成功的自动焊接检测装置，自动导线移送装置所移送的导线为一端剥除绝缘外皮并外露线芯的导线；

c、根据步骤a所设计的模具模型以及步骤b所选定的3d打印头，编写3d打印机的打印程序，该打印程序包括有底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序，且底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序分别设定设定3d打印头移动路径参数、移动速度参数、液体喷出速度参数；

d、将打印材料注入至3d打印机中，启动底模打印程序并通过3d打印头于3d打印机的工作台打印成型封装模具的封装底模；

e、待封装底模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装底模进行静置冷却固化；

f、待封装底模固化处理完毕后，启动自动传感器移送装置，自动传感器移送装置抓取压电陶瓷传感器并将压电陶瓷传感器放置于封装底模上表面的中心位置；

g、待自动传感器移送装置将压电陶瓷传感器定位放置于封装底模后，启动自动滴送焊锡装置，自动滴送焊锡装置将焊锡分别滴送于压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端；

h、待压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端分别滴有焊锡后，启动自动导线移送装置并通过自动导线移送装置将导线移送至压电陶瓷传感器的正极接电端位置，导线的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器正极接电端的焊锡，而后启动自动高温挤压焊接装置并将导线焊接于压电陶瓷传感器正极接电端；待压电陶瓷传感器正极接电端焊接完导线后，通过自动导线移送装置将另一导线移送至压电陶瓷传感器的负极接电端位置，导线的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器负极接电端的焊锡，而后再次启动自动高温挤压焊接装置并将导线焊接于压电陶瓷传感器负极接电端；

i、待压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端分别焊接导线后，启动自动焊接检测装置，并通过自动焊接检测装置对正极接电端与导线的焊接位置、负极接电端与导线的焊接位置进行检测，以检测正极接电端与导线以及负极接电端与导线焊接是否成功；如果焊接不成功，重复进行步骤g、步骤h并按照步骤i再次进行焊接检测动作；

j、待压电陶瓷传感器焊接完导线后，启动侧模打印程序并通过3d打印头于封装底模上打印成型封装侧模；

k、待封装侧模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装侧模进行静置冷却固化；

l、待封装侧模固化处理完毕后，启动上模打印程序并通过3d打印头于封装侧模上打印成型封装上模；

m、待封装上模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装上模进行静置冷却固化；

n、待封装上模固化处理完毕后，压电陶瓷传感器密封于封装模具内，将封装完毕后的压电陶瓷传感器成品从3d打印机的工作台取出，基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的制程结束。

其中，所述自动焊接检测装置采用万用表来实现压电陶瓷传感器正极接电端与导线、负极接电端与导线焊接检测。

其中，于所述封装底模、所述封装侧模、所述封装上模打印成型的过程中，若所设计的模具模型尺寸小且选用打印材料固化时间慢，打印速度宜选3d打印机能够使用的最低速度。

其中，所述打印成型封装模具之前，应先对所选用的打印材料进行固化试验，根据固化试验结果再合理设定封装底模的固化时间。

其中，于所述步骤k、所述步骤m中，封装侧模的固化时间、封装上模的固化时间不低于封装底模的固化时间。

其中，于所述步骤k、所述步骤m中，封装侧模的固化时间、封装上模的固化时间为封装底模固化时间的1.5倍。

本发明的有益效果为：本发明所述的一种基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法，其包括有以下步骤，具体的：a、根据使用要求并通过cad软件对封装压电陶瓷传感器的封装模具进行模型设计，该封装模具包括有封装底模、封装侧模、封装上模；b、选用打印材料，该打印材料为防水材料，并根据所选用的打印材料以及步骤a所设计的模具模型选定3d打印头的形状，而后将选定的3d打印头安装于3d打印机中；其中，3d打印机装设有用于移送压电陶瓷传感器的自动传感器移送装置、用于将焊锡滴送至压电陶瓷传感器的正极接电端和负极接电端的自动滴送焊锡装置、用于将导线移送至压电陶瓷传感器的滴锡位置的自动导线移送装置、用于将导线高温挤压焊接于压电陶瓷传感器接电端的自动高温挤压焊接装置、用于检测导线与压电陶瓷传感器接电端焊接是否成功的自动焊接检测装置，自动导线移送装置所移送的导线为一端剥除绝缘外皮并外露线芯的导线；c、根据步骤a所设计的模具模型以及步骤b所选定的3d打印头，编写3d打印机的打印程序，该打印程序包括有底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序，且底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序分别设定设定3d打印头移动路径参数、移动速度参数、液体喷出速度参数；d、将打印材料注入至3d打印机中，启动底模打印程序并通过3d打印头于3d打印机的工作台打印成型封装模具的封装底模；e、待封装底模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装底模进行静置冷却固化；f、待封装底模固化处理完毕后，启动自动传感器移送装置，自动传感器移送装置抓取压电陶瓷传感器并将压电陶瓷传感器放置于封装底模上表面的中心位置；g、待自动传感器移送装置将压电陶瓷传感器定位放置于封装底模后，启动自动滴送焊锡装置，自动滴送焊锡装置将焊锡分别滴送于压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端；h、待压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端分别滴有焊锡后，启动自动导线移送装置并通过自动导线移送装置将导线移送至压电陶瓷传感器的正极接电端位置，导线的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器正极接电端的焊锡，而后启动自动高温挤压焊接装置并将导线焊接于压电陶瓷传感器正极接电端；待压电陶瓷传感器正极接电端焊接完导线后，通过自动导线移送装置将另一导线移送至压电陶瓷传感器的负极接电端位置，导线的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器负极接电端的焊锡，而后再次启动自动高温挤压焊接装置并将导线焊接于压电陶瓷传感器负极接电端；i、待压电陶瓷传感器的正极接电端、负极接电端分别焊接导线后，启动自动焊接检测装置，并通过自动焊接检测装置对正极接电端与导线的焊接位置、负极接电端与导线的焊接位置进行检测，以检测正极接电端与导线以及负极接电端与导线焊接是否成功；如果焊接不成功，重复进行步骤g、步骤h并按照步骤i再次进行焊接检测动作；j、待压电陶瓷传感器焊接完导线后，启动侧模打印程序并通过3d打印头于封装底模上打印成型封装侧模；k、待封装侧模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装侧模进行静置冷却固化；l、待封装侧模固化处理完毕后，启动上模打印程序并通过3d打印头于封装侧模上打印成型封装上模；m、待封装上模打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装上模进行静置冷却固化；n、待封装上模固化处理完毕后，压电陶瓷传感器密封于封装模具内，将封装完毕后的压电陶瓷传感器成品从3d打印机的工作台取出，基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的制程结束。通过上述步骤设计，本发明的基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法具有封装模具可设计、精度高、成型快、流程简单且封装后的压电陶瓷传感器均一性好的优点，并通过结合自动化生产技术来实现压电陶瓷传感器自动化封装作业及产业化，以达到有效提高压电陶瓷传感器的封装速度、工序、质量，以便更好的应用于材料及土木工程结构性能监测。

附图说明

下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1为本发明的压电陶瓷传感器封装示意图。

图2为本发明的压电陶瓷传感器封装分解示意图。

图3为本发明的3d打印机的结构示意图。

在图1至图3中包括有：

1——封装模具11——封装底模

12——封装侧模13——封装上模

2——压电陶瓷传感器3——导线

41——自动传感器移送组件42——自动滴送焊锡装置

43——自动导线移送装置44——自动焊接检测装置。

具体实施方式

下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。

一种基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法，包括有以下步骤，具体的：

a、根据使用要求并通过cad软件对封装压电陶瓷传感器2的封装模具1进行模型设计，如图1和图2所示，该封装模具1包括有封装底模11、封装侧模12、封装上模13；

b、选用打印材料，该打印材料为防水材料，并根据所选用的打印材料以及步骤a所设计的模具模型选定3d打印头的形状，而后将选定的3d打印头安装于3d打印机中；其中，如图3所示，3d打印机装设有用于移送压电陶瓷传感器2的自动传感器移送装置、用于将焊锡滴送至压电陶瓷传感器2的正极接电端和负极接电端的自动滴送焊锡装置42、用于将导线3移送至压电陶瓷传感器2的滴锡位置的自动导线移送装置43、用于将导线3高温挤压焊接于压电陶瓷传感器2接电端的自动高温挤压焊接装置、用于检测导线3与压电陶瓷传感器2接电端焊接是否成功的自动焊接检测装置44，自动导线移送装置43所移送的导线3为一端剥除绝缘外皮并外露线芯的导线3；

c、根据步骤a所设计的模具模型以及步骤b所选定的3d打印头，编写3d打印机的打印程序，该打印程序包括有底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序，且底模打印程序、侧模打印程序、上模打印程序分别设定设定3d打印头移动路径参数、移动速度参数、液体喷出速度参数；

d、将打印材料注入至3d打印机中，启动底模打印程序并通过3d打印头于3d打印机的工作台打印成型封装模具1的封装底模11；

e、待封装底模11打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装底模11进行静置冷却固化；

f、待封装底模11固化处理完毕后，启动自动传感器移送装置，自动传感器移送装置抓取压电陶瓷传感器2并将压电陶瓷传感器2放置于封装底模11上表面的中心位置；

g、待自动传感器移送装置将压电陶瓷传感器2定位放置于封装底模11后，启动自动滴送焊锡装置42，自动滴送焊锡装置42将焊锡分别滴送于压电陶瓷传感器2的正极接电端、负极接电端；

h、待压电陶瓷传感器2的正极接电端、负极接电端分别滴有焊锡后，启动自动导线移送装置43并通过自动导线移送装置43将导线3移送至压电陶瓷传感器2的正极接电端位置，导线3的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器2正极接电端的焊锡，而后启动自动高温挤压焊接装置并将导线3焊接于压电陶瓷传感器2正极接电端；待压电陶瓷传感器2正极接电端焊接完导线3后，通过自动导线移送装置43将另一导线3移送至压电陶瓷传感器2的负极接电端位置，导线3的线芯外露部分接触压电陶瓷传感器2负极接电端的焊锡，而后再次启动自动高温挤压焊接装置并将导线3焊接于压电陶瓷传感器2负极接电端；

i、待压电陶瓷传感器2的正极接电端、负极接电端分别焊接导线3后，启动自动焊接检测装置44，并通过自动焊接检测装置44对正极接电端与导线3的焊接位置、负极接电端与导线3的焊接位置进行检测，以检测正极接电端与导线3以及负极接电端与导线3焊接是否成功；如果焊接不成功，重复进行步骤g、步骤h并按照步骤i再次进行焊接检测动作；优选的，自动焊接检测装置44采用万用表来实现压电陶瓷传感器2正极接电端与导线3、负极接电端与导线3焊接检测；

j、待压电陶瓷传感器2焊接完导线3后，启动侧模打印程序并通过3d打印头于封装底模11上打印成型封装侧模12；

k、待封装侧模12打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装侧模12进行静置冷却固化；

l、待封装侧模12固化处理完毕后，启动上模打印程序并通过3d打印头于封装侧模12上打印成型封装上模13；

m、待封装上模13打印成型完毕后，3d打印头停止动作并复位至原点位置，此时封装上模13进行静置冷却固化；

n、待封装上模13固化处理完毕后，压电陶瓷传感器2密封于封装模具1内，将封装完毕后的压电陶瓷传感器2成品从3d打印机的工作台取出，基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器2的制程结束。

需进一步指出，于封装底模11、封装侧模12、封装上模13打印成型的过程中，若所设计的模具模型尺寸小且选用打印材料固化时间慢，打印速度宜选3d打印机能够使用的最低速度。另外，打印成型封装模具1之前，应先对所选用的打印材料进行固化试验，根据固化试验结果再合理设定封装底模11的固化时间，且于步骤k、步骤m中，封装侧模12的固化时间、封装上模13的固化时间不低于封装底模11的固化时间；优选的，于步骤k、步骤m中，封装侧模12的固化时间、封装上模13的固化时间为封装底模11固化时间的1.5倍。

通过上述工艺步骤设计，本发明的基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法能够自动且高效地实现压电陶瓷传感器2封装作业，自动化程度高、封装效率高且能够有效地降低人工成本和时间成本；另外，该基于3d打印自动化封装压电陶瓷传感器的方法具有封装模具1可设计、精度高、成型快、流程简单且封装后的压电陶瓷传感器2均一性好的优点，并通过结合自动化生产技术来实现压电陶瓷传感器2自动化封装作业及产业化，以达到有效提高压电陶瓷传感器2的封装速度、工序、质量，以便更好的应用于材料及土木工程结构性能监测。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。