一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法技术

本发明专利技术公开了一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法，包括以下步骤：首先制备合金锭，利用气雾化技术将母合金锭制成非晶粉末；使用CAD软件，根据传感器探头画出相应的立体图，得到CAD模型；打开金属3D打印机；将非晶粉末作为耗材挂在料杆中；将金属3D打印机进行平台调平；利用切片软件，切片生成可执行文件；通过金属3D打印机开始打印；待打印过完成后，用铲子将模型铲下，得到所述铁基非晶传感器探头。本发明专利技术对于丰富矿山支护磁性监测和预警的理论，对于提高煤矿行业生产的安全性，对于推动铁基非晶合金材料的应用，无疑将会起到极大的推动作用，具有重大的理论价值和潜在的经济效益。

A Method of Making Iron-based Amorphous Sensor Probe by Laser Melting Stereoforming

The invention discloses a method for fabricating iron-based amorphous sensor probe by laser melting stereoforming, which includes the following steps: first, preparing alloy ingot, making amorphous powder from master alloy ingot by gas atomization technology; using CAD software, drawing corresponding stereogram according to sensor probe, obtaining CAD model; opening metal 3D printer; hanging amorphous powder as consumable material in rod. The metal 3-D printer is leveled on the platform; the executable file is generated by slicing software; the metal 3-D printer is used to print; after printing, the model is shoveled off with a shovel to get the iron-based amorphous sensor probe. The invention will undoubtedly play a great role in enriching the theory of magnetic monitoring and early warning of mine support, improving the safety of coal mine production, promoting the application of iron-based amorphous alloy materials, and has great theoretical value and potential economic benefits.

【技术实现步骤摘要】
一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法
本专利技术涉及一种激光熔融立体成型铁基非晶传感器探头的方法。
技术介绍
矿压事故是煤矿生产的三大灾害之一，不仅造成巨大的经济损失，还严重威胁井下工人的生命安全。目前煤矿事故数及其导致的死亡人数一直居高不下。据分析，绝大多数的矿井死亡事故是由于矿压支护失败或不能及时准确预警造成的。随着支护技术的进步，钢铁等铁磁性材料制作的支架及液压支柱越来越广泛应用于矿山支护，实时无损地监测其应力及工作状态显得尤为重要。及时准确了解事故发生前矿山支护设备局部应力变化规律，系统研究矿山支护无损监测及预警的相关理论与技术，研制相关的传感器磁芯材料，建立矿压预警系统，对于减少和防止顶板事故的发生具有重大意义。目前，应力测试的传感器主要还是电阻应变片，由于其体积小、质量轻，价格低廉而受到青睐。但是电阻应变片容易受环境影响、寿命短，使用前还必须先对支架进行除锈、打磨、粘结等工作，不仅费时费力，而且粘结的质量依赖于操作者的熟练程度、粘结剂的种类、粘结的牢固程度等因素，这些不确定性都极大影响测试结果的可靠性，难以准确监测支护设备应力，甚至会出现严重的错误。因此，进一步研究应力监测的相关基础理论，研发新型传感器改进矿山支护的应力磁性监测装置，尝试新的应力测试手段非常必要。对于铁磁性矿山支护设备，用磁性的方法进行应力测试具有很大的优越性：价格便宜；设备小巧，携带方便，测试灵活；获取信息的速度快；且无需进行表面处理；既可以进行接触式测量，也可以进行非接触与在线测量。利用磁性方法进行应力测试也是目前研究的热点，受到工程技术人员的广泛关注，很多学者在这一领域进行了富有成效的理论与试验探索。其中T.Isono和S.Abuku等人设计的九极磁测应力传感器尤为重要。该传感器无须旋转一次即可测出材料上任意一点的应力情况，如图1所示，是到目前为止设计出的最理想的磁测应力传感器磁芯，利用该形状的传感器磁芯制备的磁测应力仪器有望彻底解决矿压预警系统多年来测试精度不够、工序复杂、可靠性差等问题。然而，这种形状复杂的传感器磁芯使用起来很方便，制作起来却异常困难，严重限制了这种传感器磁性的推广应用。目前可以用来制备复杂形状的传感器磁芯的材料和方法主要有：(1)电工纯铁或硅钢合金的切削加工，该方法工序复杂，成本高额，高耗能，高污染，而且由于材料软磁性能的限制，制备出点磁芯磁导率低，矫顽力大；(2)铁氧体粉末热轧，改方法制备的磁芯力学性能差，极易损坏。以上方法均不够理想，使用它们制作的磁芯传感器，不仅需要的电流大，损耗高，而且信号也容易失真，在高瓦斯矿井中还可能诱发安全事故，也因为如此到目前为止还没有合适的九级传感磁芯投入应用。铁基非晶合金是我们多年来一直研究的一类新型软磁材料，其磁导率高、矫顽力低、低成本、低损耗，耐磨、耐腐蚀，压缩强度可达4000多兆帕。选用它作为磁芯，不仅可以有效减小励磁电流、节约能源，提高效率与精度，更可以增强煤矿生产的安全性。但是由于铁基非晶合金形成能力的限制，制备过程中需要极高的冷却速率。采用目前广泛采用的铜模铸造法只能制备一些形状相对简单的传感器磁芯，这就迫切的要求我们制备出如图1所示形状的铁基非晶合金传感器磁芯。激光熔融立体成型(3D打印)技术是近年来广泛推崇的一种高新制备技术，该方法可以快速成型，操作简单，可以轻松制备形状极其复杂的构件。基本原理是先在衬底板上铺上一层粉，然后用高能激光束通过逐点扫描的方法把粉末焊接起来，一层焊好再铺一层，直至得到设计的产品。这种方法不但可以克服铁基非晶合金形成能力的不足，得到超大尺寸的铁基非晶合金器件，还可以设计任意形状的复杂构件。因此，为减少和预防煤矿安全事故的发生，有必要研制性能优异的铁基非晶合金材料，通过3D打印技术一次成型所需形状的磁芯，应用到铁磁性矿山支护设备无损监测预警中，升级矿压预警系统，拓展铁基非晶合金的应用领域。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法，以突破现有技术中磁测应力传感器精度不够高、性能不够稳定、能耗高、难以在恶劣环境中应用的局限，客服铁基非晶合金难以复杂成型的不足。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法，包括以下步骤：步骤一，合金锭的制备：按照铁基非晶合金的成分，称取各原料，然后将各原料放入高温炉中，在保护气体的存在下，反复熔炼后制备成母合金锭；步骤二，利用气雾化技术将步骤一得到的母合金锭制成非晶粉末；步骤三，使用CAD软件，确立x,y,z三条坐标轴，根据传感器探头画出相应的立体图，得到CAD模型；步骤四，打印前准备：打开金属3D打印机；步骤五，上料：上料前先将金属3D打印机的喷头预热；将步骤二制得的非晶粉末作为耗材挂在料杆中，再将耗材通过断料检测开关，穿过断料检测开关后其将亮蓝灯；按住压缩弹簧夹将耗材穿过挤出齿轮；观察喷嘴若有耗材吐出时停止送料，上料完成；步骤六，平台调平：点击金属3D打印机的“准备”、“自动回原点”按钮，待金属3D打印机停止运动后，点击“关闭步进驱动”按钮；用手动移动碰头至成型平台上的左下角，再通过调整平台下方对应的手拧螺母，使平台与喷嘴刚好接触即可，再依次用该方法调节其余三个角；调平完后即可开始打印；步骤七，切片：利用切片软件，切片生成可执行文件.gcode；步骤八，开始打印：将步骤三得到的CAD模型导入切片软件中，设置好参数后，依次点击File—SaveGCode，生成G代码；把G代码复制到SD卡上，将SD卡插入金属3D打印机的卡槽中，按下旋钮进入菜单，选择“由存储卡”，找到需要打印的文件名，按下旋钮确定，喷头开始自动加热，达到预设温度打印开始；步骤九，待打印过完成后，喷头会自动归位，待喷嘴和热床的温度下降到室温，用铲子将模型铲下，得到所述铁基非晶传感器探头。所述步骤一中，铁基非晶合金的化学式为Fe36Co36Si4B20Nb4，由原子百分比换算成质量百分比，采用高纯原料Fe、Co、Si、B、Nb。所述步骤一中，保护气体为氩气、氮气中的一种或者几种的混合气体；保护气体纯度要求体积百分比大于98％。所述步骤二中，气雾化技术采用的气体为氩气。所述步骤六中，若打印第一层的过程中，耗材无法粘在平台上，说明喷嘴与平台的距离太远，应微调对应位置的平台调节旋钮。本专利技术的有益效果是：本专利技术创造性的提出利用铁基非晶合金软磁性能优异、耐磨耐腐蚀，强度高，居里温度可控，成本低等优点，选用它作为磁芯，不仅可以有效减小励磁电流、节约能源，提高效率与精度，更可以增强煤矿生产的安全性。九极磁测应力传感器无须旋转一次即可测出材料上任意一点的应力情况，是到目前为止设计出的最理想的磁测应力传感器磁芯，利用该形状的传感器磁芯制备的磁测应力仪器有望解决矿压预警系统多年来测试精度不够、工序复杂、可靠性差等问题，促进智能监测、安全生产、自动控制等领域的发展也具有重要意义。本专利技术对于丰富矿山支护磁性监测和预警的理论，对于提高煤矿行业生产的安全性，对于推动铁基非晶合金材料的应用，无疑将会起到极大的推动作用，具有重大的理论价值和潜在的经济效益。附图说明图1a和图1b为理想的矿压预警传感器磁芯示意图，其中，图1a为立体图，图1b为俯视图；图2为气雾化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，合金锭的制备：按照铁基非晶合金的成分，称取各原料，然后将各原料放入高温炉中，在保护气体的存在下，反复熔炼后制备成母合金锭；步骤二，利用气雾化技术将步骤一得到的母合金锭制成非晶粉末；步骤三，使用CAD软件，确立x,y,z三条坐标轴，根据传感器探头画出相应的立体图，得到CAD模型；步骤四，打印前准备：打开金属3D打印机；步骤五，上料：上料前先将金属3D打印机的喷头预热；将步骤二制得的非晶粉末作为耗材挂在料杆中，再将耗材通过断料检测开关，穿过断料检测开关后其将亮蓝灯；按住压缩弹簧夹将耗材穿过挤出齿轮；观察喷嘴若有耗材吐出时停止送料，上料完成；步骤六，平台调平：点击金属3D打印机的“准备”、“自动回原点”按钮，待金属3D打印机停止运动后，点击“关闭步进驱动”按钮；用手动移动碰头至成型平台上的左下角，再通过调整平台下方对应的手拧螺母，使平台与喷嘴刚好接触即可，再依次用该方法调节其余三个角；调平完后即可开始打印；步骤七，切片：利用切片软件，切片生成可执行文件.gcode；步骤八，开始打印：将步骤三得到的CAD模型导入切片软件中，设置好参数后，依次点击File—Save G Code，生成G代码；把G代码复制到SD卡上，将SD卡插入金属3D打印机的卡槽中，按下旋钮进入菜单，选择“由存储卡”，找到需要打印的文件名，按下旋钮确定，喷头开始自动加热，达到预设温度，开始打印；步骤九，待打印过完成后，喷头会自动归位，待喷嘴和热床的温度下降到室温，用铲子将模型铲下，得到所述铁基非晶传感器探头。...

【技术特征摘要】
1.一种激光熔融立体成型制作铁基非晶传感器探头的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一，合金锭的制备：按照铁基非晶合金的成分，称取各原料，然后将各原料放入高温炉中，在保护气体的存在下，反复熔炼后制备成母合金锭；步骤二，利用气雾化技术将步骤一得到的母合金锭制成非晶粉末；步骤三，使用CAD软件，确立x,y,z三条坐标轴，根据传感器探头画出相应的立体图，得到CAD模型；步骤四，打印前准备：打开金属3D打印机；步骤五，上料：上料前先将金属3D打印机的喷头预热；将步骤二制得的非晶粉末作为耗材挂在料杆中，再将耗材通过断料检测开关，穿过断料检测开关后其将亮蓝灯；按住压缩弹簧夹将耗材穿过挤出齿轮；观察喷嘴若有耗材吐出时停止送料，上料完成；步骤六，平台调平：点击金属3D打印机的“准备”、“自动回原点”按钮，待金属3D打印机停止运动后，点击“关闭步进驱动”按钮；用手动移动碰头至成型平台上的左下角，再通过调整平台下方对应的手拧螺母，使平台与喷嘴刚好接触即可，再依次用该方法调节其余三个角；调平完后即可开始打印；步骤七，切片：利用切片软件，切片生成可执行文件.gcode；步骤八，开始打印：将步骤三得到的CAD模型导入切片软件中，设置好参数后，依次点击File...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈元广，杨其奥，朱恒，李宇鸿，吕昊岩，刘海顺，杨卫明，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32