CN105467513A - 基于3d打印的光纤光栅智能复合材料结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，包括复合材料基体和位于复合材料基体内的光纤，光纤包括光栅及信号传输尾纤，信号传输尾纤从复合材料基体引出；所述的复合材料基体通过3D打印出一部分，加入所述的光纤后再继续3D打印其余部分而成。将复合材料结构3D打印成型，通过在材料打印过程中嵌入光纤光栅，实现结构复杂的复合材料结构的智能化健康监测；由于在3D打印过程中可以随时进行中断，因此可以对光纤光栅的安装位置和安装状态进行控制，对复合材料构件中任意位置的温度和应变进行监测，从而实现复杂结构的复合材料结构的实时健康监测。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域和3D打印技术领域，具体涉及一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构及其制备方法。
背景技术
复合材料广泛应用于航空航天,舰船，汽车和风力发电等高科技领域，如F-22战斗机机翼、维斯比级轻型护卫舰舰身和风力发电机叶片等。这些复合材料结构在长期工作过程中，由于疲劳、腐蚀和材料老化等不利因素，不可避免产生损伤积累，甚至造成严重安全事故和经济损失，因此对复合材料结构进行健康监测十分重要。
光纤光栅是一种对温度与应变敏感的光学传感元件，具有体积小、重量轻、精度高、耐腐蚀、防爆、对电绝缘、抗电磁干扰和环境适应性好等优点，且可实现多点多参数的分布式测量和长期远程状态监测。因此，在许多工程技术领域得到越来越广泛的应用。目前，光纤光栅对复合材料结构进行健康监测已有应用，但主要局限于层压成型式复合材料板，在层压式复合材料板层压成型过程中埋入光纤光栅传感器，这种方法很好的实现了复合材料板的健康监测，但对于空间结构较复杂的复合材料结构件则难以适应，因此无法通过光纤光栅对空间结构较复杂的复合材料结构件的健康进行实时监控。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构及其制备方法，实现对空间结构较复杂的复合材料结构的健康进行实时监控。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：它包括复合材料基体和位于复合材料基体内的光纤，光纤包括光栅及信号传输尾纤，信号传输尾纤从复合材料基体引出；所述的复合材料基体通过3D打印出一部分，加入所述的光纤后再继续3D打印其余部分而成。
按上述结构，所述的光栅包括应变测量光栅和温度测量光栅，其中应变测量光栅施加预紧力后整体固定，温度测量光栅在松弛状态下两端与复合材料基体内部固定。
按上述结构，所述的信号传输尾纤外套有护纤套管，护纤套管通过粘接剂与位于复合材料基体端部的光纤尾套固定。
按上述结构，所述的信号传输尾纤外套有护纤套管，所述的护纤套管、应变测量光栅整体、及温度测量光栅两端分别通过复合材料的熔融沉积3D打印进行固定。
按上述结构，所述的复合材料基体内设有容纳光纤的圆形通孔。
基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、通过三维建模软件设计并建立复合材料基体的三维模型，将三维模型转化为3D打印机可识别格式导入前处理软件，生成3D打印头路径轨迹；
S2、调整3D打印机工作平台与打印头之间的距离设置完成相关工艺参数；根据复合材料基体内的光纤位置确定暂停时间；
S3、在工作平台上进行复合材料基体3D打印成型，在打印至半成型、需要放入光纤时，暂停3D打印机；
S4、将光纤铺设在半成型的复合材料基体上，调整好光纤位置，并将光纤两端固定；
S5、3D打印复合材料基体的剩余部分。
按上述方法，所述的S4整理光纤位置并固定的具体方法为：
所述的光栅包括应变测量光栅和温度测量光栅，其中应变测量光栅施加预紧力后整体固定，温度测量光栅在松弛状态下两端与复合材料基体内部固定；
将裸露在复合材料基体外的光纤套入护纤套管，将光纤尾套嵌入复合材料基体上预留的安装槽内，将护纤套管伸入光纤尾套并固定。
按上述方法，所述的固定为粘接剂固定，或直接通过3D打印过程中熔融沉积的复合材料进行固定。
按上述方法，所述的复合材料基体内设有容纳光纤的圆形通孔，当3D打印至半个圆形通孔成型时，暂停3D打印机。
本发明的有益效果为：
1、将复合材料结构3D打印成型，通过在材料打印过程中嵌入光纤光栅，实现结构复杂的复合材料结构的智能化健康监测；由于在3D打印过程中可以随时进行中断，因此可以对光纤光栅的安装位置和安装状态进行控制，对复合材料构件中任意位置的温度和应变进行监测，从而实现复杂结构的复合材料结构的实时健康监测，与传统的层压式智能复合材料板相比，其制造工艺更加简单，光纤光栅布置过程容易，同时3D打印可以进行复杂结构的成型。
2、所设计的光纤尾套与护纤套管形成稳固的结构可以对光纤进行完善的保护，解决了光纤在伸出智能结构外容易脆断导致传感器失效的问题。
附图说明
图1为本发明一实施例的结构示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
图3为熔融复合材料直接固定光纤光栅实施例。
图4为3D打印复合材料复杂结构埋入光纤光栅的实施例。
图中：1-光纤；2-应变测量光栅；3-粘接剂；4-温度测量光栅；5-复合材料基体；6-光纤尾管；7-护纤套管。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
实施例一：
一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，如图1和图2所示，包括复合材料基体5和位于复合材料基体5内的光纤1，光纤1包括光栅及信号传输尾纤，信号传输尾纤从复合材料基体5引出；所述的复合材料基体5通过3D打印出一部分，加入所述的光纤1后再继续3D打印其余部分而成。
在本实施例中，所述的光栅包括应变测量光栅2和温度测量光栅4，其中应变测量光栅2施加预紧力后整体固定，温度测量光栅4在松弛状态下两端与复合材料基体5内部固定，其固定方式为粘接剂3连接。
优选的，所述的信号传输尾纤外套有护纤套管7，护纤套管7通过粘接剂3与位于复合材料基体5端部的光纤尾套6固定。
复合材料基体可为碳纤维增强复合材料和玻璃纤维复合材料等可3D打印的复合材料。
所述的复合材料基体5内设有容纳光纤的微小圆形通孔，光纤尾套6为中间通孔的台阶轴，中间凸起台阶嵌入所述的圆形通孔内，使用粘接剂3均匀涂覆光纤尾套6与伸出护纤套管7接触处，对护纤套管7进行固定与保护。
基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构的制备方法，包括以下步骤：
S1、通过三维建模软件设计并建立复合材料基体的三维模型，将三维模型转化为3D打印机可识别格式导入前处理软件，生成3D打印头路径轨迹；
S2、调整3D打印机工作平台与打印头之间的距离设置完成相关工艺参数；根据复合材料基体内的光纤位置确定暂停时间；
S3、在工作平台上进行复合材料基体3D打印成型，在打印至半成型、需要放入光纤时，暂停3D打印机；
S4、将光纤铺设在半成型的复合材料基体上，调整好光纤位置，并将光纤两端固定；
S5、3D打印复合材料基体的剩余部分。
S4整理光纤位置并固定的具体方法为：
所述的光栅包括应变测量光栅和温度测量光栅，其中应变测量光栅施加预紧力后整体固定，温度测量光栅在松弛状态下两端与复合材料基体内部固定，所述的固定为粘接剂固定；
待全部粘接剂完全固化后，将裸露在复合材料基体外的光纤套入护纤套管，将光纤尾套嵌入复合材料基体上预留的安装槽内，将护纤套管伸入光纤尾套并固定，所述的固定为粘接剂固定。
所述的复合材料基体内设有容纳光纤的圆形通孔，当3D打印至半个圆形通孔成型时，暂停3D打印机。
作为优选的，光纤尾套6使用与复合材料基体相同的材料。
实施例二：
本实施例结构与方法与实施例一基本相同，其结构不同之处在于：所述的信号传输尾纤6外套有护纤套管7，所述的护纤套管7、应变测量光栅2整体、及温度测量光栅4两端分别通过复合材料的熔融沉积3D打印进行固定。
其方法不同之处在于：直接通过3D打印过程中熔融沉积的复合材料对护纤套管7、应变测量光栅2整体、及温度测量光栅4两端进行固定。
实施例三：
本实施例结构与方法与实施例一基本相同，其结构不同之处在于：复合材料基体本身结构较为复杂，光栅为多个分布式光栅，分布的位置根据复合材料基体的形状、易断裂或易受高温影响的地方确定。
传统的层压式复合材料智能板通过将光纤光栅嵌入至夹层中，用粘接剂对光纤光栅进行固定，并通过层压工艺对复合材料板进行加固，这类方法无法对光纤光栅的安装位置进行更自由的控制，且难以实现具有复杂空间结构的复合材料件的智能化。采用3D打印技术可以将光纤光栅埋入具有复杂空间结构的复合材料件中任意需要检测的位置，实现复合材料复杂结构件的健康监测，同时通过光纤尾套与护纤套管的综合应用，解决了光纤容易脆断的问题，提高了这种技术方法的实际工程应用价值。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：它包括复合材料基体和位于复合材料基体内的光纤，光纤包括光栅及信号传输尾纤，信号传输尾纤从复合材料基体引出；所述的复合材料基体通过3D打印出一部分，加入所述的光纤后再继续3D打印其余部分而成。
2.根据权利要求1所述的基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：所述的光栅包括应变测量光栅和温度测量光栅，其中应变测量光栅施加预紧力后整体固定，温度测量光栅在松弛状态下两端与复合材料基体内部固定。
3.根据权利要求2所述的基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：所述的信号传输尾纤外套有护纤套管，护纤套管通过粘接剂与位于复合材料基体端部的光纤尾套固定。
4.根据权利要求2所述的基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：所述的信号传输尾纤外套有护纤套管，所述的护纤套管、应变测量光栅整体、及温度测量光栅两端分别通过复合材料的熔融沉积3D打印进行固定。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构，其特征在于：所述的复合材料基体内设有容纳光纤的圆形通孔。
6.权利要求1所述的基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构的制备方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、通过三维建模软件设计并建立复合材料基体的三维模型，将三维模型转化为3D打印机可识别格式导入前处理软件，生成3D打印头路径轨迹；
S2、调整3D打印机工作平台与打印头之间的距离设置完成相关工艺参数；根据复合材料基体内的光纤位置确定暂停时间；
S3、在工作平台上进行复合材料基体3D打印成型，在打印至半成型、需要放入光纤时，暂停3D打印机；
S4、将光纤铺设在半成型的复合材料基体上，调整好光纤位置，并将光纤两端固定；
S5、3D打印复合材料基体的剩余部分。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述的S4整理光纤位置并固定的具体方法为：
所述的光栅包括应变测量光栅和温度测量光栅，其中应变测量光栅施加预紧力后整体固定，温度测量光栅在松弛状态下两端与复合材料基体内部固定；
将裸露在复合材料基体外的光纤套入护纤套管，将光纤尾套嵌入复合材料基体上预留的安装槽内，将护纤套管伸入光纤尾套并固定。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述的固定为粘接剂固定，或直接通过3D打印过程中熔融沉积的复合材料进行固定。
9.根据权利要求6至8中任意一项所述的制备方法，其特征在于：所述的复合材料基体内设有容纳光纤的圆形通孔，当3D打印至半个圆形通孔成型时，暂停3D打印机。
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