淺析光纖傳感器技術(shù)與3D打印相結(jié)合的智能材料研究

張迪 蔣勁松 楊建

摘? 要：3D打印是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的，以運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等這種單一的可粘合材料通過逐層打印方式來構(gòu)造物的技術(shù)。智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當(dāng)處理且本身可執(zhí)行的新型功能材料，將其與3D打印結(jié)構(gòu)結(jié)合，使其在3D打印的基礎(chǔ)上在外界環(huán)境激勵下隨著時(shí)間實(shí)現(xiàn)自身結(jié)構(gòu)的變化。本文主要介紹智能結(jié)構(gòu)的研究發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用前景、一種基于光纖傳感器的智能材料與3D打印的智能結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器;智能材料;智能結(jié)構(gòu)

1.引言

智能結(jié)構(gòu)是根據(jù)外部條件和內(nèi)部條件主動地改變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以最優(yōu)地滿足任務(wù)需要的結(jié)構(gòu)^【1】。首先被運(yùn)用于航天領(lǐng)域的技術(shù)，就結(jié)構(gòu)方面而言，就是將具有特殊力學(xué)性能和物理性能的形狀記憶合金、壓電晶體、磁致遍體、電致變體、傳感器等埋在復(fù)合材料中組成構(gòu)件的受感元件和做動元件，再配上微處理器，便成為智能材料結(jié)構(gòu)，來自動適應(yīng)結(jié)構(gòu)的一些特殊要求。國外對智能結(jié)構(gòu)的研究和應(yīng)用非常重視，因其不僅可以解決當(dāng)前工程上一些難以解決的實(shí)際問題，還將推動許多學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展。

2.智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早從事這一領(lǐng)域的研究的國家，一些軍方和政府機(jī)構(gòu)直接參與智能材料和智能結(jié)構(gòu)的研究。目前在美國、日本、意大利等國家都已成立智能材料機(jī)構(gòu)的研究所。日本的宇航局也很早就開始了相關(guān)的研究計(jì)劃，研究大型空間結(jié)構(gòu)的形狀控制問題，歐洲的智能材料和結(jié)構(gòu)的研究在歐共體的支持下完成了“復(fù)合材料光學(xué)傳感器計(jì)劃”^【2】。目前歐洲對飛機(jī)的健康檢測、直升機(jī)主動減振、空間結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)形狀控制和阻尼減振、汽車的自適應(yīng)消聲和減振都開展了研究。

2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前我國的智能結(jié)構(gòu)及其系統(tǒng)的研究目前處于起步狀態(tài)，國家自然科學(xué)基金委員會與航空部設(shè)立了多個(gè)智能結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目，各個(gè)高校與研究所也展開了這方面的研究。例如對機(jī)艙內(nèi)噪聲控制的研究、鐵路長軌伸縮量的控制等^【3】。

2.3應(yīng)用前景

智能結(jié)構(gòu)基于廣泛的應(yīng)用前景，形成了一種以材料科學(xué)、控制理論、信息理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)等學(xué)科交叉綜合的新興學(xué)科。智能材料和智能結(jié)構(gòu)在軍事領(lǐng)域中具有很大的潛力，其研究、開發(fā)和利用，對未來武器裝備的發(fā)展將產(chǎn)生巨大影響。在武器平臺的蒙皮中植入智能結(jié)構(gòu)，包括探測元件，微處理控制系統(tǒng)和驅(qū)動元件，就成為智能蒙皮，可用于監(jiān)視、預(yù)警、隱身和通信等。

3.3D打印技術(shù)的概念及其發(fā)展特點(diǎn)

3D打印技術(shù)是一種快速打印樣品成型的技術(shù)，其原理是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)將金屬粉墨或塑料等可貼合的材料通過逐層打印的方式打印出成品。這種技術(shù)在國外也被稱為“增材制造”。3D打印技術(shù)發(fā)展主要得益于計(jì)算機(jī)的技術(shù)的的創(chuàng)新河突破，將其從傳統(tǒng)的紙上打印發(fā)展為樣品成型的打印技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)的不斷完善和成熟，應(yīng)用于越來越多的社會活動、高科技等各個(gè)方面。尤其是在航天航空領(lǐng)域，對我國的高科技發(fā)展有著巨大意義。

3D打印技術(shù)的發(fā)展是迅速的，1996年出現(xiàn)真正意義上的“3D打印機(jī)”，2011就有能夠打印飛機(jī)的“3D打印機(jī)”出現(xiàn)，其發(fā)展不斷朝向復(fù)雜化、多樣化的高科技領(lǐng)域。因其不需要傳統(tǒng)的機(jī)械加工或制造模具就能直接根據(jù)計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)生成任何形狀的物體，極大的縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。這對航空航天材料的智能設(shè)計(jì)起著很大的作用。

4.3D打印技術(shù)在航空航天材料上的優(yōu)勢

4.1材料節(jié)省

一個(gè)發(fā)動機(jī)點(diǎn)火裝置的模型需要許多的零件和部分組成，而應(yīng)用3D打印技術(shù)，不用剔除航空航天材料的邊角料，大大的提高了材料的利用率。并且，3D打印技術(shù)取代傳統(tǒng)的占用空間、人力等生產(chǎn)線，最大化的節(jié)省了成本。

4.2制作材料精度高

航天航空領(lǐng)域的安全發(fā)展以及快速發(fā)展材料的精確設(shè)計(jì)是最基本的要求，傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)技術(shù)無法保證人為的錯(cuò)誤，也不能將誤差降到最低，這就限制了航天航空的發(fā)展。將3D打印技術(shù)運(yùn)用與航空航天領(lǐng)域，對航天的智能材料設(shè)計(jì)發(fā)展將是質(zhì)的飛躍于創(chuàng)新。

4.3無需傳統(tǒng)模具，縮短制作周期

3D打印技術(shù)是將產(chǎn)品的外形通過如AUTO CAD等計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出來，直接打印生成實(shí)物產(chǎn)品，繞過了傳統(tǒng)的制造工序，有效的縮短了制作周期。

5.智能材料

智能材料是一類能感知環(huán)境變化，通過自我判斷得出結(jié)論，并且自主執(zhí)行相應(yīng)指令的材料。其具備了生命智能的三要素：感知功能（監(jiān)測能力、應(yīng)變、壓力、溫度、損傷）判斷決策功能（自我處理信息、判別原因、得出結(jié)論）和執(zhí)行功能（損傷的自愈合和自我改變應(yīng)力應(yīng)變分布、結(jié)構(gòu)阻尼、固有頻率等結(jié)構(gòu)特性），集合了傳感、控制和驅(qū)動功能，能適時(shí)感知和響應(yīng)外界環(huán)境變化，及時(shí)作出判斷、發(fā)出指令，并執(zhí)行和完成動作，使材料具有的自檢測、自診斷、自監(jiān)控、自愈合及自適應(yīng)能力，這種能力在航空航天有著廣泛的應(yīng)用。

智能復(fù)合材料的自診斷能力是十分重要的，它是自適應(yīng)、自修復(fù)功能的基礎(chǔ)。目前，可以制作智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的傳感網(wǎng)絡(luò)元件很多，常用的有電阻應(yīng)變絲、光纖、壓電陶瓷等，其中光纖具有柔軟、可撓曲、電絕緣、不發(fā)熱、無輻射，能在強(qiáng)電磁、易燃易爆、毒性氣體環(huán)境下工作、并和復(fù)合材料有著良好的耦合性等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因此光纖傳感器一直是智能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中自診斷系統(tǒng)的首選對象和發(fā)展方向。

光纖傳感器是將被測對象的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成光信號來進(jìn)行檢測的光學(xué)傳感器，其本質(zhì)就是一個(gè)器件。它的基本工作原理是將光源發(fā)出的光學(xué)性質(zhì)保持不變的光通過某種固定的耦合方法入射到光纖、經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)外界物理量、生物量等被測參數(shù)與調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位篇振態(tài)等發(fā)生位變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光探測器檢測而獲得被測參數(shù)和被測對象的狀態(tài)。

6.光纖傳感器與3D打印技術(shù)的智能結(jié)構(gòu)

3D打?。?DP）即快速成型的技術(shù)的一種，又稱為增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可貼合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)^【3】。將光纖傳感技術(shù)和3D打印技術(shù)結(jié)合起來，充分利用FBG的高精度和高靈敏度、3D打印技術(shù)的快速成型的特點(diǎn)，感知和處理內(nèi)外部的環(huán)境信息，并通過改變結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)使結(jié)構(gòu)形變，對環(huán)境作出響應(yīng)。

光纖自診斷系統(tǒng)是由激光器、傳感系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)等組成。其中用于智能復(fù)合材料的傳感系統(tǒng)通常是多個(gè)光纖傳感器連接在一起的光纖傳感器陣列。如何將光纖傳感器陣列埋入復(fù)合材料中，是目前制約光纖傳感器在智能復(fù)合材料中的應(yīng)用的一個(gè)重要因素，是實(shí)現(xiàn)光纖自診斷系統(tǒng)的關(guān)鍵。

將光纖傳感器埋入3D打印機(jī)主要有以下幾個(gè)問題需要解決：

（1）光纖傳感器和連接這些傳感器的光纖布局;

（2）光纖傳感器埋入3D打印的可行性;

（3）制作這種智能復(fù)合材料的工藝對光纖傳感器的和連接光纖性能的影響以及光纖完好性;

（4）光纖傳感器系統(tǒng)與激光器和光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之間的耦合問題;

（5）埋入的光纖傳感器與連接光纖對3D打印性能的影響。

解決以上問題的其中一個(gè)途徑是設(shè)計(jì)和制作標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的光纖傳感層，這種傳感層便于存儲、運(yùn)輸和埋置。采用光纖傳感器埋入和粘貼的方法將智能材料與3D打印結(jié)構(gòu)件集在一起，并且還便于在此前對其光纖傳感系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。

由于光纖傳感器實(shí)現(xiàn)非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，體積小、重量輕、功耗低、便于集成的優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于軍事、宇航、通信等多種領(lǐng)域，若能將其與3D打印技術(shù)結(jié)合，便能通過傳感器對外界環(huán)境波長的變化，對3D打印進(jìn)行監(jiān)測和通信。

7.結(jié)語

基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的3D打印技術(shù)以其高精確度、高生產(chǎn)率等特點(diǎn)將快速融入航空航天領(lǐng)域材料的智能化設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)在航天領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用的現(xiàn)狀表明，在地面采用3D打印技術(shù)制造某些航天零部件可降低成本、縮短周期，有助于設(shè)計(jì)研發(fā)具有新功能、新結(jié)構(gòu)的零件，提高結(jié)構(gòu)可靠性，還可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]? 智能結(jié)構(gòu)的研究現(xiàn)狀及其前景展望，張建輝，2008，科學(xué)技術(shù)與工程.

[2]? 智能材料與智能結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，孫四海、劉軍。2003，淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào).

[3]? 光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用，廖延彪、黎敏、張敏、匡武，2009，清華大學(xué)出版社.

[4]? 淺析3D打印技術(shù)對于航空航天材料的智能化設(shè)計(jì)作用，李亞軒，2017，工藝設(shè)計(jì)改造及檢測檢修。