基于3d打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域和3D打印技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于航空航天，艦船，汽車和風(fēng)力發(fā)電等高科技領(lǐng)域，如F-22戰(zhàn)斗機機翼、維斯比級輕型護(hù)衛(wèi)艦艦身和風(fēng)力發(fā)電機葉片等。這些復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在長期工作過程中，由于疲勞、腐蝕和材料老化等不利因素，不可避免產(chǎn)生損傷積累，甚至造成嚴(yán)重安全事故和經(jīng)濟(jì)損失，因此對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測十分重要。
[0003]光纖光柵是一種對溫度與應(yīng)變敏感的光學(xué)傳感元件，具有體積小、重量輕、精度高、耐腐蝕、防爆、對電絕緣、抗電磁干擾和環(huán)境適應(yīng)性好等優(yōu)點，且可實現(xiàn)多點多參數(shù)的分布式測量和長期遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測。因此，在許多工程技術(shù)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前，光纖光柵對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行健康監(jiān)測已有應(yīng)用，但主要局限于層壓成型式復(fù)合材料板，在層壓式復(fù)合材料板層壓成型過程中埋入光纖光柵傳感器，這種方法很好的實現(xiàn)了復(fù)合材料板的健康監(jiān)測，但對于空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件則難以適應(yīng)，因此無法通過光纖光柵對空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的健康進(jìn)行實時監(jiān)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:提供一種基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)及其制備方法，實現(xiàn)對空間結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的健康進(jìn)行實時監(jiān)控。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案為:一種基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，其特征在于:它包括復(fù)合材料基體和位于復(fù)合材料基體內(nèi)的光纖，光纖包括光柵及信號傳輸尾纖，信號傳輸尾纖從復(fù)合材料基體引出；所述的復(fù)合材料基體通過3D打印出一部分，加入所述的光纖后再繼續(xù)3D打印其余部分而成。
[0006]按上述結(jié)構(gòu)，所述的光柵包括應(yīng)變測量光柵和溫度測量光柵，其中應(yīng)變測量光柵施加預(yù)緊力后整體固定，溫度測量光柵在松弛狀態(tài)下兩端與復(fù)合材料基體內(nèi)部固定。
[0007]按上述結(jié)構(gòu)，所述的信號傳輸尾纖外套有護(hù)纖套管，護(hù)纖套管通過粘接劑與位于復(fù)合材料基體端部的光纖尾套固定。
[0008]按上述結(jié)構(gòu)，所述的信號傳輸尾纖外套有護(hù)纖套管，所述的護(hù)纖套管、應(yīng)變測量光柵整體、及溫度測量光柵兩端分別通過復(fù)合材料的熔融沉積3D打印進(jìn)行固定。
[0009]按上述結(jié)構(gòu)，所述的復(fù)合材料基體內(nèi)設(shè)有容納光纖的圓形通孔。
[0010]基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備方法，其特征在于:它包括以下步驟:
51、通過三維建模軟件設(shè)計并建立復(fù)合材料基體的三維模型，將三維模型轉(zhuǎn)化為3D打印機可識別格式導(dǎo)入前處理軟件，生成3D打印頭路徑軌跡；
52、調(diào)整3D打印機工作平臺與打印頭之間的距離設(shè)置完成相關(guān)工藝參數(shù);根據(jù)復(fù)合材料基體內(nèi)的光纖位置確定暫停時間；
53、在工作平臺上進(jìn)行復(fù)合材料基體3D打印成型，在打印至半成型、需要放入光纖時，暫停3D打印機；
54、將光纖鋪設(shè)在半成型的復(fù)合材料基體上，調(diào)整好光纖位置，并將光纖兩端固定；
55、3D打印復(fù)合材料基體的剩余部分。
[0011]按上述方法，所述的S4整理光纖位置并固定的具體方法為:
所述的光柵包括應(yīng)變測量光柵和溫度測量光柵，其中應(yīng)變測量光柵施加預(yù)緊力后整體固定，溫度測量光柵在松弛狀態(tài)下兩端與復(fù)合材料基體內(nèi)部固定；
將裸露在復(fù)合材料基體外的光纖套入護(hù)纖套管，將光纖尾套嵌入復(fù)合材料基體上預(yù)留的安裝槽內(nèi)，將護(hù)纖套管伸入光纖尾套并固定。
[0012]按上述方法，所述的固定為粘接劑固定，或直接通過3D打印過程中熔融沉積的復(fù)合材料進(jìn)行固定。
[0013]按上述方法，所述的復(fù)合材料基體內(nèi)設(shè)有容納光纖的圓形通孔，當(dāng)3D打印至半個圓形通孔成型時，暫停3D打印機。
[0014]本發(fā)明的有益效果為:
1、將復(fù)合材料結(jié)構(gòu)3D打印成型，通過在材料打印過程中嵌入光纖光柵，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的智能化健康監(jiān)測；由于在3D打印過程中可以隨時進(jìn)行中斷，因此可以對光纖光柵的安裝位置和安裝狀態(tài)進(jìn)行控制，對復(fù)合材料構(gòu)件中任意位置的溫度和應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測，從而實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的實時健康監(jiān)測，與傳統(tǒng)的層壓式智能復(fù)合材料板相比，其制造工藝更加簡單，光纖光柵布置過程容易，同時3D打印可以進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型。
[0015]2、所設(shè)計的光纖尾套與護(hù)纖套管形成穩(wěn)固的結(jié)構(gòu)可以對光纖進(jìn)行完善的保護(hù)，解決了光纖在伸出智能結(jié)構(gòu)外容易脆斷導(dǎo)致傳感器失效的問題。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明一實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為圖1的A-A剖面圖。
[0018]圖3為熔融復(fù)合材料直接固定光纖光柵實施例。
[0019]圖4為3D打印復(fù)合材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)埋入光纖光柵的實施例。
[0020]圖中:1-光纖;2-應(yīng)變測量光柵;3-粘接劑;4-溫度測量光柵;5-復(fù)合材料基體;6_光纖尾管;7-護(hù)纖套管。
【具體實施方式】
[0021 ]下面結(jié)合具體實例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0022]實施例一:
一種基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，如圖1和圖2所示，包括復(fù)合材料基體5和位于復(fù)合材料基體5內(nèi)的光纖1，光纖1包括光柵及信號傳輸尾纖，信號傳輸尾纖從復(fù)合材料基體5引出；所述的復(fù)合材料基體5通過3D打印出一部分，加入所述的光纖1后再繼續(xù)3D打印其余部分而成。
[0023]在本實施例中，所述的光柵包括應(yīng)變測量光柵2和溫度測量光柵4，其中應(yīng)變測量光柵2施加預(yù)緊力后整體固定，溫度測量光柵4在松弛狀態(tài)下兩端與復(fù)合材料基體5內(nèi)部固定，其固定方式為粘接劑3連接。
[0024]優(yōu)選的，所述的信號傳輸尾纖外套有護(hù)纖套管7，護(hù)纖套管7通過粘接劑3與位于復(fù)合材料基體5端部的光纖尾套6固定。
[0025]復(fù)合材料基體可為碳纖維增強復(fù)合材料和玻璃纖維復(fù)合材料等可3D打印的復(fù)合材料。
[0026]所述的復(fù)合材料基體5內(nèi)設(shè)有容納光纖的微小圓形通孔，光纖尾套6為中間通孔的臺階軸，中間凸起臺階嵌入所述的圓形通孔內(nèi)，使用粘接劑3均勻涂覆光纖尾套6與伸出護(hù)纖套管7接觸處，對護(hù)纖套管7進(jìn)行固定與保護(hù)。
[0027]基于3D打印的光纖光柵智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制備方法，包括以下步驟: