[发明专利]基于3D打印的光纤光栅智能复合材料结构及其制备方法

说明书

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。

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：