一种基于增材制造的电气设备结构及其制备方法
技术领域
本发明属于电气设备结构的创新，涉及电气连接拓扑结构在现实空间中构建的结构创新及其相应的制备方法的创新。
背景技术
目前常见的电气设备，主要是基于模块化设计的理念和方法进行空间结构的构建，并以此模块化的空间结构来实现电气原理及其拓扑结构。这是基于传统的电气设计规范体系而形成的，主要服务于电气设备根据具体工程项目需要而设计不同的功能这一常见的应用格局。
现有的遵从模块化设计理念的电气设备的结构形式，是基于标准化的箱体，按定制化的需求填充入具有具体功能的内部元器件，这样的形态和设计的优点在于：便于后期维护，视觉上较为整洁，每个器件或功能单元排列清晰，便于识别，较为整洁且留有检修空间，便于散热通风等。
从工艺上理解是为了满足个性化的功能设计以及保障必要的人员、设备安全而牺牲空间来实现的。然而，这些需要满足的保障和安全需求，带来很多新的问题，包括但不限于：装配点多带来可能的故障点增多，装配件多带来识别的困难并进而必须通过整洁的排序来确保运维安全，装配件间存在性能的不平衡，并进而不可避免的出现最弱点，或装配件间存在的接触点无法实现单一配件内部的原子键、分子键连接，并进而产生局部的电阻增大导致发热和潜在危险源。
鉴于电气设备行业对安全和保护的要求日渐提高，导致内部器件分工更加明细，器件数量愈发增多，最终导致在现实应用场景中占据越来越大的空间。
考虑到未来社会和工业水平对资源的节约化应用和回收再利用可能性，也出于对安全的更高要求，并基于3D打印技术的水平进步，其电气设备的设计必将逐渐向“轻、薄、短、小”的方向发展。因此，一体化的结构设计、高度集成且紧凑的母线结构、更为精细的散热系统设计必将在未来的产业中成为竞争优势。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于增材制造的电气设备结构及其相应的制备方法，充分利用3D打印的制备工艺实现结构体和功能的高度融合，尽量减少非电气功能的结构性用材，并进而减小装配体积。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于增材制造的电气设备结构，由3D打印制成，包括结构支撑体，所述结构支撑体内设置有基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，所述结构支撑体上设置有向外突出的延伸体，所述延伸体上设置有安装点，用于安装壳体或其他设备。
进一步来说，所述结构支撑体上设有与其相融合的散热片。
进一步来说，结构支撑体和延伸体一体成型，均为中空、晶格化的结构。
进一步来说，所述母线连接结构包括至少一条母线结构，所述母线结构的外围设置有绝缘层。
一种基于增材制造的电气设备结构的制备方法，包括如下步骤：步骤1、基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，在母线连接结构的空隙间或外围设置信号控制子系统；步骤2、将散热片预先放置在3D打印平台，并通过3D打印技术将电气设备结构直接打印出来，散热片直接嵌入融合在结构支撑体上。
其中：步骤2中结构支撑体内围绕母线连接结构预留有绝缘层，所述绝缘层通过浸渍/灌注绝缘材料工艺实现绝缘，在母线结构各股/层间的端部设有支撑条，形成绝缘材料灌注预留空间。
进一步来说，所述支撑条具有较细或较薄的的断面结构，在3D打印过程中及绝缘材料的灌注/浸渍过程中，保持母线结构与结构支撑体之间的距离和稳定性，并在以上工序完成后便于去除。
其中：步骤2中散热片和结构支撑体相融合，且散热片中至少一部分借助结构支撑体的导热能力实现散热。
一种基于增材制造的电气设备结构的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，并在构建母线连接结构的过程中在三维空间集成散热片，在母线连接结构的空隙间或外围设置信号控制子系统；
步骤2、通过3D打印技术将电气设备结构直接打印出来。电气设备结构3D打印的材料为铜或铝材，导热性好。直接在3D打印之前在三维模型中设计好即可。
进一步来说，上述母线连接结构可以是空间长条状的，也可以是树状分叉的或星型的，也可以是空间网格状的，甚至是趋于有机形态的，亦或是以上电气拓扑结构的组合体。并以此替代目前的板状、柱状母线。通过这种直接的从电气拓扑结构转化而来的结构，可以实现极大的减少用料、装配点、导体接触点、发热损耗区域的效果。
进一步来说，在结构支撑体上设置有供信号控制子系统布线的弱电线缆预留孔。
与现有技术相比，本发明具有如下优势：
1，节省材料。通过3D打印，可以实现从电气拓扑图直接到基于三维空间布局的制备。并结合本发明中绝缘体的实现方案，能大量的压缩母线和结构支撑体上装配点之间的距离，进而节省材料用量；通过3D打印工艺实现的中空或内部晶格结构，也可以在满足足够的机械强度的前提下大量节省材料用量。
2，节省空间。基于前述节省材料用量的基础，加之对三维空间的高密度叠加和集成，可几乎不用预留检修空间、内部装配点，因而可以大幅度的压缩整体设备的体积，井进而减少对空间的占用。
3，减少故障点和危险源。通过一体化成型工艺，省略了多种器件连接所需的装配点，具备更好的整体性和连续性，进而减少故障点和危险源。
4，便于材料的回收和再利用。因前述的减少了装配的特点，进而减少材料的种类，使材料回收过程中减少了分类和去杂质的投入，便于更高效和更纯净的进行材料的回收和再利用。
5，装配简单。延伸体的使用，将所有外接的元器件均有固定的预留插口，并通过与延伸体连接实现结构固定，在装配上不用考虑位置布局，也不用考虑线束的布置，因此在装配效率上更为高效，也减少易错装配点和触电风险点。
6，通过3D打印，将高度集成和复杂的造型直接成型，遭免了各种零部件在传统工业制备环境下成型所需的模具和成型工艺费用，大大压缩了制备工期。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的结构示意图。
图中：
1－结构支撑体；2－多股母线结构；3－多层嵌套母线结构；4－弱电线缆或其预留孔；5－延伸体；6－安装点；7－散热片；8－绝缘层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例
参见附图1、图2所示，本实施例中的一种基于增材制造的电气设备结构，由3D打印制成，包括结构支撑体1，所述结构支撑体1内设置有基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，所述结构支撑体1上设置有向外突出的延伸体5，所述延伸体5上设置有安装点6，用于安装壳体或其他设备；所述结构支撑体1上可根据功能上需要与否设有与其相融合的散热片7。
一种基于增材制造的电气设备结构的制备方法有两种：
第一种：基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，在母线连接结构的空隙间或外围设置信号控制子系统，将散热片7预先放置并通过3D打印技术将电气设备结构直接打印出来，散热片7直接嵌入融合在结构支撑体1上。
第二种：基于电气拓扑结构而在三维空间中构建的趋于最短路径的母线连接结构，并在构建母线连接结构的过程中在三维空间集成散热片，在母线连接结构的空隙间或外围设置信号控制子系统；通过3D打印技术将电气设备结构直接打印出来。电气设备结构3D打印的材料为铜或铝材，导热性能好。直接在3D打印之前在三维模型中设计好即可。
结构支撑体1具有充分的空间和装配功能特征，通过必要的安装节点6和装配件来支撑电气设备所涉及的所有部件。这里的结构支撑体1可以是通过3D打印技术实现的中空、晶格化的结构，以节省材料和降低重量。
上述母线连接结构可以是空间长条状的，也可以是树状分叉的或星型的，也可以是空间网格状的，甚至是趋于有机形态的，亦或是以上拓扑结构的组合体。并以此替代目前的板状、柱状母线：通过这种直接的从电气拓扑结构转化而来的结构，可以实现极大的减少用料、装配点、导体接触点、发热损耗区域的效果。
考虑到其导电特征和散热效果，在必要的电气分支上需要根据具体的载流需求设计具体的截面积，以满足导电性能。并考虑到直流的正负极或交流电的三相或单相，以及零线、接地等电气通路数的需要，母线连接结构中的母线结构可以是并行的单股或双股、多股，也可以是多层嵌套，甚至可以是空间交又但不接触的网状结构。本实施例中图1、图2中显示的图为并行的多股母线结构2、多层嵌套母线结构3的组合体，其中为使这些并行或嵌套的母线结构间实现绝缘，须在相互之间设置绝缘层8，即在母线结构的外围设置有绝缘层8。
本实施例中绝缘层的设置和制备可以通过以下可选的工艺实现：
第一种：通过多材质混合3D打印的制备工艺，在打印母线结构的同时打印绝缘层。
第二种：通过浸渍/灌注绝缘材料工艺实现绝缘。但为实现在浸渍绝缘材料前母线结构各股/层间能稳定的保持并行不触碰状态，需在端点设计相互连接的支撑条。前述的并行不触碰状态是为了形成绝缘材料灌注预留空间。这些支撑条应具有较细或较薄的断面结构，使其能够保持主要母线结构在打印和浸渍绝缘材科工艺阶段的结构稳定，又便于在完成打印且浸渍过绝缘材料后能够较为方便的去除：去除方式包括打磨，切割，融化等。
在母线连接结构的空隙间或外围设置信号控制子系统，该信号控制子系统在结构支撑体1上形成弱电线缆或其预留孔4。这些信号控制子系统，可以是通过3d打印实现的类似于母线结构的单股、双股、多股或多层嵌套的结构，或空间交叉但不接触的网状结构，同样需要经过与母线连接结构相同的制备工艺来设置绝缘防护层，但与母线连接结构不同的是：
1，其线经一般较细，或沿信号传导方向的断面面积一般较小；
2，其空间的布局，需避让母线连接结构的最短路径、并基于其空间结构设计较短且不易受母线磁场影响的路径；
3，基于不同的信号控制子系统的功能实现，有些需设计外部嵌套的屏蔽层；
4，信号控制子系统不限于导电材料，亦可以是基于光纤、声波传导的其它材料；
5，信号控制子系统除直接通过3D打印工艺实现外，亦可采用3D打印预留空隙，并将传统的信号线缆在装配阶段插入。
在发热较多的器件的位置预留散热所必要的散热片7，这些散热片7宜具有明显的基于热工特征而优化的中、微观形态，且大部分应用场景中将和结构支撑体1相融合，并部分或全部的借助结构支撑体1的导热能力实现散热，在某些无散热需要的电气设备中可以省略。
与本实施例电气设备结构配套的电气设备壳体，可以是结构支撑体的连续性延伸，也可以是独立的装配于结构支撑体上。在制备工艺上，可以是传统工艺制备的实心的片状壳体，也可以是基于3D打印制备的具有中空或晶格结构的壳体。
采用本制备方法的优势：
1，节省材料。通过3D打印，可以实现从电气拓扑图直接到基于三维空间布局的制备。并结合本发明中绝缘体的实现方案，能大量的压缩母线结构和结构支撑体上装配点之间的距离，进而节省材料用量；通过3D打印工艺实现的中空或内部晶格结构，也可以大量节省材料用量。
2，节省空间。基于前述节省材料用量的基础，加之对三维空间的高密度叠加和集成，可几乎不用预留检修空间、内部装配点，可以大幅度的压缩整体设备的体积，进而减少对空间的占用。
3，减少故障点和危险源。通过一体化成型工艺，省略了多种器件连接所需的装配点，使得功能材质具备更好的整体性和连续性，进而减少故障点和危险源。
4，便于材料的回收和再利用。因前述的减少了装配的特点，进而减少的材料的种类，使得材料回收过程中减少了分类和去杂质的投入，便于更高效和更纯净的进行材料的回收和再利用。
5，装配简单。延伸体的使用，将所有外接的元器件均有固定的预留插口，并通过与延伸体连接实现结构固定，在装配上不用考虑位置布局，也不用考虑线束的布置，因此在装配效率上更为高效，也减少易错装配点和触电风险点。
6，通过3D打印，将高度集成和复杂的造型直接成型，遭免了各种零部件在传统工业制备环境下成型所需的模具和成型工艺费用，大大压缩了制备工期。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
