通过混合3D打印策略集成结构传感实现位移重构组件

来源： 江大赵军华课题组

随着对智能设备的要求越来越高，结构传感集成技术在航空航天、生物医学、人体健康监测等领域的需求也在不断增长。大部分智能结构，如变形飞行器、可部署卫星天线和软体机器人等，实现全局位移场的实时监测是对它们进行形变感知和姿态控制的基本要求之一。目前,传统的方法是将光纤光栅传感器粘贴在结构上进行应变的监测,再结合重构算法实现位移场的重构。很少有研究专注于制造能够实现结构传感-位移重构功能的集成部件。

基于此背景，江南大学赵军华教授团队提出了一种通过混合3D打印的方法实现快速制造集成结构传感实现位移重构组件的策略。成果以“Displacement-reconstruction-realized components by structure-sensing integration via a hybrid 3D printing strategy”为题发表在国际期刊《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》上，其中博士生陶银为第一作者，团队负责人赵军华教授和课题组于培师副教授为通讯作者。

本研究的主要目的是通过混合3D打印策略制造结构-传感一体化部件以实现全局位移场的实时监测。首先, 将优化设计的具有最小的单元数传感器阵列集成到结构表面或嵌入结构内部。再通过直接墨水写入与熔融沉积建模的混合3D打印方法实现结构传感一体化部件的快速制造。最终,在没有任何加载信息的情况下,传感集成结构可实现从监测的局部应变重构全局位移场的功能。

图1 基于混合3D打印平台制造结构传感集成部件

图2 表面结构传感集成部件的制造试样

图3 嵌入结构传感集成部件的制造试样

图4 直书写打印传感器的结构和灵敏度

图5 传感器的迟滞性和有效带宽

图6 仿机翼结构弯曲时的有限元的模态分析结果和传感器的布局优化设计

图7 仿机翼结构在准静态单点受压时重构的位移和模拟的对比结果

图8 仿机翼结构在多点受压时重构的位移和实验对比结果

图9 仿机翼结构在动态振动时重构的位移和实验的对比结果

图10 仿机翼结构扭转重构的位移和实验对比结果

参考链接
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