基于3d打印的介電常數梯度絕緣子制造裝置及方法
【專利說明】
【技術領域】
[0001]本發明屬于高電壓設備制造領域，具體涉及基于3D打印的介電常數梯度絕緣子制造裝置及方法。
【【背景技術】】
[0002]近年來，隨著電力系統超/特電壓、大容量輸電的發展需求，以及脈沖功率、激光、微波等高新技術裝備向高電壓、小型化、高可靠性的方向發展，其電氣絕緣問題日趨突出。其中，電場分布不均勻而帶來的絕緣耐電性能薄弱是高壓電力、脈沖功率等裝備及器件中廣泛存在的難題，給設計、制造帶來很高的技術難度和成本。我國電力系統中氣體絕緣開關設備的環氧盆式絕緣子閃絡擊穿事故頻發，特別是100kV特高壓GIS，自2008年首個示范工程運行至今已出現多起故障，嚴重危及系統的安全可靠運行。在脈沖功率設備中也存在著類似的問題，由于對設備緊湊性的苛刻要求，其固體絕緣子放電問題尤為突出。我國、美國、俄羅斯、日本等一些機構的脈沖功率設備(如速調管、加速器、Z箍縮裝置等)都曾發生過真空中絕緣子擊穿引起的事故。由此可見，高電壓、強電場下絕緣放電破壞現象已成為影響、制約電力設備和脈沖功率裝備整體性能的關鍵問題。
[0003]一般認為，電場分布不均勻是導致絕緣擊穿破壞、耐電特性差的重要原因。對于絕大多數的高電壓設備，其絕緣所承受的電場分布往往極不均勻，例如各種絕緣子的高壓端部分，尤其是不同材料之間的結合處(即金屬導體、固體絕緣與氣、液、真空等構成的復合絕緣系統的界面和表面)，由于材料介電特性的急劇變化，場強集中的問題尤為突出，這些區域所承受的電場強度要遠遠超出平均場強，甚至達到平均值的數倍。過于集中的電場強度會帶來絕緣子的局部放電，加劇絕緣材料的老化，進而發展為擊穿破壞。傳統的解決方法主要是通過增大絕緣尺寸、優化電極-介質結構來改善電場分布，但效果往往有限。過于復雜的絕緣結構不僅給生產制造帶來很大的難度和成本，也難以實現裝備的“小型化、集成化”，同時也會帶來很多附生問題。“功能梯度材料”(Funct1nally Graded Material, FGM)的出現為解決這一問題提供了可能的思路。通過使用不同性能的材料及先進的復合工藝，使材料特性在材料內部不同空間位置上呈現連續梯度變化，這樣可以“主動”地克服局部應力集中問題。類似地，若制作材料介電特性(如介電常數)呈現梯度變化的絕緣子，此處介電常數由外電極向內電極漸變遞增，就能夠“主動”而有效地降低內電極處最大場強、削弱局部集中，進而達到大幅度提高絕緣子耐電強度、解決目前高壓設備絕緣子應用困境的目的。
[0004]長期以來，FGM絕緣子是高電壓絕緣領域很多研宄者追求的目標，然而其受制于一個核心問題:如何實現介電梯度可調控材料的制備？日本名古屋大學Okubo教授團隊嘗試借助無機填料離心制造技術，構建了外形結構為圓臺和盤型的聚合物-無機非金屬復合材料FGM絕緣子，發現其可有效地降低最大電場，這是國際上唯一的關于介電梯度絕緣子制造的報道。然而，該技術的可控性較差，難以可重復性地精確制造，且該項技術只能實現單個空間維度上的介電常數分布，無法真正有效的進行絕緣子的電場調控。近年來，以材料累積成型為3D打印技術為FGM絕緣子提供了全新的實現手段。3D打印是隨信息、材料與制造等多學科融合發展起來的一種先進制造技術，其核心原理是使材料“逐點累積形成面、逐面累積成體”。該技術的優勢在于可方便地結合計算機輔助設計與分析，通過拓撲優化解決FGM部件內外復雜結構的一體化設計與制造，有利于發展出新型功能驅動的材料-結構-性能一體化的創新設計方法，這無疑為介電功能梯度絕緣部件的實現提供了新契機。然而，目前3D打印技術主要還是用于復雜結構零件的制造，對于電氣設備絕緣子這種功能性設備，其應用尚不多見；且對于目前的3D打印技術，其制成品往往存在著較多的內部氣泡和缺陷，難以用于高電壓設備絕緣子的制造。
【
【發明內容】
】
[0005]本發明的目的在于提供基于3D打印的介電常數梯度絕緣子制造裝置及方法，通過在制造過程中控制逐點累積時單點材料的介電參數，實現有效、可控、多維度地進行絕緣子電場調控。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:
[0007]基于3D打印的介電常數梯度絕緣子制造裝置，包含真空腔、3D打印裝置和控制設備；3D打印裝置設置于所述真空腔內；3D打印裝置包括供料系統、3D打印頭、一套X、Y、Z三軸移動裝置和一個工作臺；3D打印裝置通過控制設備進行原料供給、混合、擠出以及打印頭X、Y及Z向位置的控制，最終完成介電常數功能梯度絕緣子在工作臺上的打印。
[0008]本發明進一步的改進在于:真空腔包括箱體、箱門、放氣閥、抽氣閥、一號進料閥、二號進料閥、控制電纜接頭和壓力表；箱門閉合時與箱體形成密閉內腔；放氣閥、抽氣閥、一號進料閥和二號進料閥均設置在箱體側壁上，且通過管道與箱體相連；電纜接頭固定在箱體側壁上；壓力表與箱體通過管道直接相連。
[0009]本發明進一步的改進在于:3D打印裝置中，供料系統由一號儲料罐、二號儲料罐以及真空腔上的一號進料閥和二號進料閥；一號儲料罐和二號儲料罐固定在真空腔內，其入口分別與一號進料閥和二號進料閥相連接；一號儲料罐和二號儲料罐的出口通過送料泵和不銹鋼波紋管與3D打印頭的混合裝置相連接，用于3D打印頭原料的供給。
[0010]本發明進一步的改進在于:3D打印頭包括混合裝置、擠出頭和紫外光源；其中，混合裝置和紫外光源均固定在X、Y、Z三軸移動裝置上，擠出頭位于混合裝置下方。
[0011]本發明進一步的改進在于:混合裝置由兩個進料口，一個鋁質混料腔，一個鋁質攪拌螺桿，一個鋁質加熱器和一個半導體溫度傳感器構成；擠出頭由噴嘴和驅動裝置構成。
[0012]本發明進一步的改進在于:控制設備接收操作人員使用計算機建模生成的3D打印裝置控制信息，其控制信號的輸出接口連接3D打印裝置；所述控制設備設置于真空腔外部。
[0013]基于3D打印的介電常數梯度絕緣子制造方法，包含以下步驟:
[0014]步驟1:準備一號光固化型環氧樹脂和二號光固化型環氧樹脂；所述二號光固化型環氧樹脂的介電常數大于一號光固化型環氧樹脂的介電常數；
[0015]步驟2:根據實際電氣絕緣結構的機械性能和耐電性能需求，構建絕緣子幾何形狀和介電常數空間分布三維模型，將三維模型按照預先設定的層厚模擬分割成不同的層面，并計算得到每層的打印軌跡和層內單點材料的介電常數取值；
[0016]步驟3:通過一號進料閥和二號進料閥將步驟I準備的一號光固化型環氧樹脂和二號光固化型環氧樹脂分別送入真空腔內的一號儲料罐和二號儲料罐中；使用真空泵對真空腔抽真空，進行一號光固化型環氧樹脂和二號光固化型環氧樹脂的真空脫氣；
[0017]步驟4:控制設備按照所打印單點材料所需的體積以及該點材料的介電常數，控制送料泵將一號儲料罐和二號儲料罐中一號光固化型環氧樹脂和二號光固化型環氧樹脂送入混合裝置中混合均勻；
[0018]步驟5，使用擠出頭將步驟4混合好的樹脂液滴擠出至工作臺(14)，使用光源照射液滴，使其在光照的作用下固化，完成單點材料的3D打印；
[0019]步驟6:按照步驟2中得到的單層內打印頭的移動軌跡和單層材料的介電常數分布，使用X、Y、Z三軸移動裝置，在平面內移動打印頭，重復步驟4和步驟5，完成單層材料的3D打印；
[0020]步驟7:向上移動打印頭，重復步驟6，完成多層累加，最終實現介電常數梯度絕緣子的制造；
[0021]步驟8:將步驟7制造得到的絕緣子進行二次熱固化和表面拋光。
[0022]本發明進一步的改進在于:一號光固化型環氧樹脂為純光固化型環氧樹脂，或摻雜有助劑的光固化型環氧樹脂；一號光固化型環氧樹脂的介電常數3-5。
[0023]本發明進一步的改進在于:二號光固化型環氧樹脂的制備方法為:以純光固化型環氧樹脂為基體樹脂，在其中填充經過表面處理的，粒徑為0.1??ο