淺析光纖傳感器技術與3D打印相結合的智能材料研究

張迪 蔣勁松 楊建

摘? 要：3D打印是一種以數字模型文件為基礎的，以運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造物的技術。智能材料是一種能感知外部刺激，能夠判斷并適當處理且本身可執行的新型功能材料，將其與3D打印結構結合，使其在3D打印的基礎上在外界環境激勵下隨著時間實現自身結構的變化。本文主要介紹智能結構的研究發展現狀、應用前景、一種基于光纖傳感器的智能材料與3D打印的智能結構。

關鍵詞：光纖傳感器;智能材料;智能結構

1.引言

智能結構是根據外部條件和內部條件主動地改變結構特點以最優地滿足任務需要的結構^【1】。首先被運用于航天領域的技術，就結構方面而言，就是將具有特殊力學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、傳感器等埋在復合材料中組成構件的受感元件和做動元件，再配上微處理器，便成為智能材料結構，來自動適應結構的一些特殊要求。國外對智能結構的研究和應用非常重視，因其不僅可以解決當前工程上一些難以解決的實際問題，還將推動許多學科和技術的發展。

2.智能結構的發展現狀及應用前景

2.1國外發展現狀

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

2.2國內發展現狀

目前我國的智能結構及其系統的研究目前處于起步狀態，國家自然科學基金委員會與航空部設立了多個智能結構的項目，各個高校與研究所也展開了這方面的研究。例如對機艙內噪聲控制的研究、鐵路長軌伸縮量的控制等^【3】。

2.3應用前景

智能結構基于廣泛的應用前景，形成了一種以材料科學、控制理論、信息理論、計算機技術、傳感器技術等學科交叉綜合的新興學科。智能材料和智能結構在軍事領域中具有很大的潛力，其研究、開發和利用，對未來武器裝備的發展將產生巨大影響。在武器平臺的蒙皮中植入智能結構，包括探測元件，微處理控制系統和驅動元件，就成為智能蒙皮，可用于監視、預警、隱身和通信等。

3.3D打印技術的概念及其發展特點

3D打印技術是一種快速打印樣品成型的技術，其原理是以數字模型文件為基礎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。這種技術在國外也被稱為“增材制造”。3D打印技術發展主要得益于計算機的技術的的創新河突破，將其從傳統的紙上打印發展為樣品成型的打印技術。隨著3D打印技術的不斷完善和成熟，應用于越來越多的社會活動、高科技等各個方面。尤其是在航天航空領域，對我國的高科技發展有著巨大意義。

3D打印技術的發展是迅速的，1996年出現真正意義上的“3D打印機”，2011就有能夠打印飛機的“3D打印機”出現，其發展不斷朝向復雜化、多樣化的高科技領域。因其不需要傳統的機械加工或制造模具就能直接根據計算機圖形數據生成任何形狀的物體，極大的縮短了產品的生產周期，提高了產品的生產效率。這對航空航天材料的智能設計起著很大的作用。

4.3D打印技術在航空航天材料上的優勢

4.1材料節省

一個發動機點火裝置的模型需要許多的零件和部分組成，而應用3D打印技術，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打印技術取代傳統的占用空間、人力等生產線，最大化的節省了成本。

4.2制作材料精度高

航天航空領域的安全發展以及快速發展材料的精確設計是最基本的要求，傳統的材料設計技術無法保證人為的錯誤，也不能將誤差降到最低，這就限制了航天航空的發展。將3D打印技術運用與航空航天領域，對航天的智能材料設計發展將是質的飛躍于創新。

4.3無需傳統模具，縮短制作周期

3D打印技術是將產品的外形通過如AUTO CAD等計算機技術設計出來，直接打印生成實物產品，繞過了傳統的制造工序，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境變化，通過自我判斷得出結論，并且自主執行相應指令的材料。其具備了生命智能的三要素：感知功能（監測能力、應變、壓力、溫度、損傷）判斷決策功能（自我處理信息、判別原因、得出結論）和執行功能（損傷的自愈合和自我改變應力應變分布、結構阻尼、固有頻率等結構特性），集合了傳感、控制和驅動功能，能適時感知和響應外界環境變化，及時作出判斷、發出指令，并執行和完成動作，使材料具有的自檢測、自診斷、自監控、自愈合及自適應能力，這種能力在航空航天有著廣泛的應用。

智能復合材料的自診斷能力是十分重要的，它是自適應、自修復功能的基礎。目前，可以制作智能復合材料結構中的傳感網絡元件很多，常用的有電阻應變絲、光纖、壓電陶瓷等，其中光纖具有柔軟、可撓曲、電絕緣、不發熱、無輻射，能在強電磁、易燃易爆、毒性氣體環境下工作、并和復合材料有著良好的耦合性等獨特的優點。因此光纖傳感器一直是智能復合材料結構中自診斷系統的首選對象和發展方向。

光纖傳感器是將被測對象的狀態轉換成光信號來進行檢測的光學傳感器，其本質就是一個器件。它的基本工作原理是將光源發出的光學性質保持不變的光通過某種固定的耦合方法入射到光纖、經光纖送入調制區，在調制區內外界物理量、生物量等被測參數與調制區的光相互作用，使光的光學性質如光的強度、波長、頻率、相位篇振態等發生位變化成為被調制的信號光，再經光纖送入光探測器檢測而獲得被測參數和被測對象的狀態。

6.光纖傳感器與3D打印技術的智能結構

3D打?。?DP）即快速成型的技術的一種，又稱為增材制造，它是一種以數字模型文件為基礎，運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造物體的技術^【3】。將光纖傳感技術和3D打印技術結合起來，充分利用FBG的高精度和高靈敏度、3D打印技術的快速成型的特點，感知和處理內外部的環境信息，并通過改變結構的物理性質使結構形變，對環境作出響應。

光纖自診斷系統是由激光器、傳感系統、光電轉換系統、數據采集和處理系統等組成。其中用于智能復合材料的傳感系統通常是多個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合材料中，是目前制約光纖傳感器在智能復合材料中的應用的一個重要因素，是實現光纖自診斷系統的關鍵。

將光纖傳感器埋入3D打印機主要有以下幾個問題需要解決：

（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）光纖傳感器系統與激光器和光電轉換系統之間的耦合問題;

（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途徑是設計和制作標準化、模塊化的光纖傳感層，這種傳感層便于存儲、運輸和埋置。采用光纖傳感器埋入和粘貼的方法將智能材料與3D打印結構件集在一起，并且還便于在此前對其光纖傳感系統進行標定。

由于光纖傳感器實現非接觸測量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，體積小、重量輕、功耗低、便于集成的優點，因而廣泛應用于軍事、宇航、通信等多種領域，若能將其與3D打印技術結合，便能通過傳感器對外界環境波長的變化，對3D打印進行監測和通信。

7.結語

基于計算機基礎的3D打印技術以其高精確度、高生產率等特點將快速融入航空航天領域材料的智能化設計。3D打印技術在航天領域被廣泛應用的現狀表明，在地面采用3D打印技術制造某些航天零部件可降低成本、縮短周期，有助于設計研發具有新功能、新結構的零件，提高結構可靠性，還可帶動相關產業鏈的發展。

參考文獻

[1]? 智能結構的研究現狀及其前景展望，張建輝，2008，科學技術與工程.

[2]? 智能材料與智能結構及其應用，孫四海、劉軍。2003，淮南職業技術學院學報.

[3]? 光纖傳感技術與應用，廖延彪、黎敏、張敏、匡武，2009，清華大學出版社.

[4]? 淺析3D打印技術對于航空航天材料的智能化設計作用，李亞軒，2017，工藝設計改造及檢測檢修。