浅析光纤传感器技术与3D打印相结合的智能材料研究

张迪 蒋劲松 杨建

摘  要：3D打印是一种以数字模型文件为基础的，以运用粉末状金属或塑料等这种单一的可粘合材料通过逐层打印方式来构造物的技术。智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料，将其与3D打印结构结合，使其在3D打印的基础上在外界环境激励下随着时间实现自身结构的变化。本文主要介绍智能结构的研究发展现状、应用前景、一种基于光纤传感器的智能材料与3D打印的智能结构。

关键词：光纤传感器;智能材料;智能结构

1.引言

智能结构是根据外部条件和内部条件主动地改变结构特点以最优地满足任务需要的结构^【1】。首先被运用于航天领域的技术，就结构方面而言，就是将具有特殊力学性能和物理性能的形状记忆合金、压电晶体、磁致遍体、电致变体、传感器等埋在复合材料中组成构件的受感元件和做动元件，再配上微处理器，便成为智能材料结构，来自动适应结构的一些特殊要求。国外对智能结构的研究和应用非常重视，因其不仅可以解决当前工程上一些難以解决的实际问题，还将推动许多学科和技术的发展。

2.智能结构的发展现状及应用前景

2.1国外发展现状

美国是最早从事这一领域的研究的国家，一些军方和政府机构直接参与智能材料和智能结构的研究。目前在美国、日本、意大利等国家都已成立智能材料机构的研究所。日本的宇航局也很早就开始了相关的研究计划，研究大型空间结构的形状控制问题，欧洲的智能材料和结构的研究在欧共体的支持下完成了“复合材料光学传感器计划”^【2】。目前欧洲对飞机的健康检测、直升机主动减振、空间结构的自适应形状控制和阻尼减振、汽车的自适应消声和减振都开展了研究。

2.2国内发展现状

目前我国的智能结构及其系统的研究目前处于起步状态，国家自然科学基金委员会与航空部设立了多个智能结构的项目，各个高校与研究所也展开了这方面的研究。例如对机舱内噪声控制的研究、铁路长轨伸缩量的控制等^【3】。

2.3应用前景

智能结构基于广泛的应用前景，形成了一种以材料科学、控制理论、信息理论、计算机技术、传感器技术等学科交叉综合的新兴学科。智能材料和智能结构在军事领域中具有很大的潜力，其研究、开发和利用，对未来武器装备的发展将产生巨大影响。在武器平台的蒙皮中植入智能结构，包括探测元件，微处理控制系统和驱动元件，就成为智能蒙皮，可用于监视、预警、隐身和通信等。

3.3D打印技术的概念及其发展特点

3D打印技术是一种快速打印样品成型的技术，其原理是以数字模型文件为基础将金属粉墨或塑料等可贴合的材料通过逐层打印的方式打印出成品。这种技术在国外也被称为“增材制造”。3D打印技术发展主要得益于计算机的技术的的创新河突破，将其从传统的纸上打印发展为样品成型的打印技术。随着3D打印技术的不断完善和成熟，应用于越来越多的社会活动、高科技等各个方面。尤其是在航天航空领域，对我国的高科技发展有着巨大意义。

3D打印技术的发展是迅速的，1996年出现真正意义上的“3D打印机”，2011就有能够打印飞机的“3D打印机”出现，其发展不断朝向复杂化、多样化的高科技领域。因其不需要传统的机械加工或制造模具就能直接根据计算机图形数据生成任何形状的物体，极大的缩短了产品的生产周期，提高了产品的生产效率。这对航空航天材料的智能设计起着很大的作用。

4.3D打印技术在航空航天材料上的优势

4.1材料节省

一个发动机点火装置的模型需要许多的零件和部分组成，而应用3D打印技术，不用剔除航空航天材料的边角料，大大的提高了材料的利用率。并且，3D打印技术取代传统的占用空间、人力等生产线，最大化的节省了成本。

4.2制作材料精度高

航天航空领域的安全发展以及快速发展材料的精确设计是最基本的要求，传统的材料设计技术无法保证人为的错误，也不能将误差降到最低，这就限制了航天航空的发展。将3D打印技术运用与航空航天领域，对航天的智能材料设计发展将是质的飞跃于创新。

4.3无需传统模具，缩短制作周期

3D打印技术是将产品的外形通过如AUTO CAD等计算机技术设计出来，直接打印生成实物产品，绕过了传统的制造工序，有效的缩短了制作周期。

5.智能材料

智能材料是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并且自主执行相应指令的材料。其具备了生命智能的三要素：感知功能（监测能力、应变、压力、温度、损伤）判断决策功能（自我处理信息、判别原因、得出结论）和执行功能（损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性），集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，及时作出判断、发出指令，并执行和完成动作，使材料具有的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，这种能力在航空航天有着广泛的应用。

智能复合材料的自诊断能力是十分重要的，它是自适应、自修复功能的基础。目前，可以制作智能复合材料结构中的传感网络元件很多，常用的有电阻应变丝、光纤、压电陶瓷等，其中光纤具有柔软、可挠曲、电绝缘、不发热、无辐射，能在强电磁、易燃易爆、毒性气体环境下工作、并和复合材料有着良好的耦合性等独特的优点。因此光纤传感器一直是智能复合材料结构中自诊断系统的首选对象和发展方向。

光纤传感器是将被测对象的状态转换成光信号来进行检测的光学传感器，其本质就是一个器件。它的基本工作原理是将光源发出的光学性质保持不变的光通过某种固定的耦合方法入射到光纤、经光纤送入调制区，在调制区内外界物理量、生物量等被测参数与调制区的光相互作用，使光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位篇振态等发生位变化成为被调制的信号光，再经光纤送入光探测器检测而获得被测参数和被测对象的状态。

6.光纤传感器与3D打印技术的智能结构

3D打印（3DP）即快速成型的技术的一种，又称为增材制造，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可贴合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术^【3】。将光纤传感技术和3D打印技术结合起来，充分利用FBG的高精度和高灵敏度、3D打印技术的快速成型的特点，感知和处理内外部的环境信息，并通过改变结构的物理性质使结构形变，对环境作出响应。

光纤自诊断系统是由激光器、传感系统、光电转换系统、数据采集和处理系统等组成。其中用于智能复合材料的传感系统通常是多个光纤传感器连接在一起的光纤传感器阵列。如何将光纤传感器阵列埋入复合材料中，是目前制约光纤传感器在智能复合材料中的应用的一个重要因素，是实现光纤自诊断系统的关键。

将光纤传感器埋入3D打印机主要有以下几个问题需要解决：

（1）光纤传感器和连接这些传感器的光纤布局;

（2）光纤传感器埋入3D打印的可行性;

（3）制作这种智能复合材料的工艺对光纤传感器的和连接光纤性能的影响以及光纤完好性;

（4）光纤传感器系统与激光器和光电转换系统之间的耦合问题;

（5）埋入的光纤传感器与连接光纤对3D打印性能的影响。

解决以上问题的其中一个途径是设计和制作标准化、模块化的光纤传感层，这种传感层便于存储、运输和埋置。采用光纤传感器埋入和粘贴的方法将智能材料与3D打印结构件集在一起，并且还便于在此前对其光纤传感系统进行标定。

由于光纤传感器实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，体积小、重量轻、功耗低、便于集成的优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信等多种领域，若能将其与3D打印技术结合，便能通过传感器对外界环境波长的变化，对3D打印进行监测和通信。

7.结语

基于计算机基础的3D打印技术以其高精确度、高生产率等特点将快速融入航空航天领域材料的智能化设计。3D打印技术在航天领域被广泛应用的现状表明，在地面采用3D打印技术制造某些航天零部件可降低成本、缩短周期，有助于设计研发具有新功能、新结构的零件，提高结构可靠性，还可带动相关产业链的发展。

参考文献

[1]  智能結构的研究现状及其前景展望，张建辉，2008，科学技术与工程.

[2]  智能材料与智能结构及其应用，孙四海、刘军。2003，淮南职业技术学院学报.

[3]  光纤传感技术与应用，廖延彪、黎敏、张敏、匡武，2009，清华大学出版社.

[4]  浅析3D打印技术对于航空航天材料的智能化设计作用，李亚轩，2017，工艺设计改造及检测检修。