通過混合3D打印策略集成結(jié)構(gòu)傳感實現(xiàn)位移重構(gòu)組件

來源： 江大趙軍華課題組

隨著對智能設(shè)備的要求越來越高，結(jié)構(gòu)傳感集成技術(shù)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、人體健康監(jiān)測等領(lǐng)域的需求也在不斷增長。大部分智能結(jié)構(gòu)，如變形飛行器、可部署衛(wèi)星天線和軟體機器人等，實現(xiàn)全局位移場的實時監(jiān)測是對它們進行形變感知和姿態(tài)控制的基本要求之一。目前,傳統(tǒng)的方法是將光纖光柵傳感器粘貼在結(jié)構(gòu)上進行應(yīng)變的監(jiān)測,再結(jié)合重構(gòu)算法實現(xiàn)位移場的重構(gòu)。很少有研究專注于制造能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)傳感-位移重構(gòu)功能的集成部件。

基于此背景，江南大學(xué)趙軍華教授團隊提出了一種通過混合3D打印的方法實現(xiàn)快速制造集成結(jié)構(gòu)傳感實現(xiàn)位移重構(gòu)組件的策略。成果以“Displacement-reconstruction-realized components by structure-sensing integration via a hybrid 3D printing strategy”為題發(fā)表在國際期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上，其中博士生陶銀為第一作者，團隊負(fù)責(zé)人趙軍華教授和課題組于培師副教授為通訊作者。

本研究的主要目的是通過混合3D打印策略制造結(jié)構(gòu)-傳感一體化部件以實現(xiàn)全局位移場的實時監(jiān)測。首先, 將優(yōu)化設(shè)計的具有最小的單元數(shù)傳感器陣列集成到結(jié)構(gòu)表面或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)部。再通過直接墨水寫入與熔融沉積建模的混合3D打印方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)傳感一體化部件的快速制造。最終,在沒有任何加載信息的情況下,傳感集成結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)從監(jiān)測的局部應(yīng)變重構(gòu)全局位移場的功能。

圖1 基于混合3D打印平臺制造結(jié)構(gòu)傳感集成部件

圖2 表面結(jié)構(gòu)傳感集成部件的制造試樣

圖3 嵌入結(jié)構(gòu)傳感集成部件的制造試樣

圖4 直書寫打印傳感器的結(jié)構(gòu)和靈敏度

圖5 傳感器的遲滯性和有效帶寬

圖6 仿機翼結(jié)構(gòu)彎曲時的有限元的模態(tài)分析結(jié)果和傳感器的布局優(yōu)化設(shè)計

圖7 仿機翼結(jié)構(gòu)在準(zhǔn)靜態(tài)單點受壓時重構(gòu)的位移和模擬的對比結(jié)果

圖8 仿機翼結(jié)構(gòu)在多點受壓時重構(gòu)的位移和實驗對比結(jié)果

圖9 仿機翼結(jié)構(gòu)在動態(tài)振動時重構(gòu)的位移和實驗的對比結(jié)果

圖10 仿機翼結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)重構(gòu)的位移和實驗對比結(jié)果

參考鏈接
Displacement-reconstruction-realized components by structure-sensing integration via a hybrid 3D printing strategy. 2024,107896.

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https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2023.107896