一种集成传感功能的结构件的混合3D打印快速制作方法

本技术涉及3d打印，尤其是一种集成传感功能的结构件的混合3d打印快速制作方法。

背景技术：

1、随着智能设备需求的不断增长，结构传感集成技术在航空航天、生物医学设备、人体健康监测、故障诊断等领域的需求也在不断增长。对于变形飞行器、可部署卫星天线和软机器人等智能组件，实时监测全局位移场已成为形变感知和姿态控制的基本功能。

2、为了实现对结构件的全局位移场监测，目前通常会将金属应变片或光纤光栅传感器之类的感应单元粘贴在结构件的若干个不同的监测位置，通过各个感应单元感应到的应变信息结合不同的重构算法即可重构得到结构件的全局位移场。但是感应单元与结构件之间的胶水粘贴方式的安装可靠性较低，可能会出现感应单元脱落的情况，而且在胶水的存在也会导致感应单元对应变信息监测不准确。

技术实现思路

1、本技术针对上述问题及技术需求，提出了一种集成传感功能的结构件的混合3d打印快速制作方法，本技术的技术方案如下：

2、一种集成传感功能的结构件的混合3d打印快速制作方法，该混合3d打印快速制作方法包括：

3、根据待制作结构件的几何特征和材料属性建立待制作结构件的有限元模型进行模态分析；

4、根据模态分析结果结合对待制作结构件关注的变形特征参数，确定在待制作结构件上布设的各个传感单元的布设位置；

5、根据待制作结构件上各个传感单元的布设位置设计传感电路结构；

6、利用混合3d打印系统中的熔融沉积打印平台按照待制作结构件的几何特征和材料属性熔融沉积打印所述待制作结构件，利用混合3d打印系统中的直书写打印平台在待制作结构件上打印所述传感电路结构，制作得到集成有所述传感电路结构的待制作结构件。

7、其进一步的技术方案为，利用混合3d打印系统制作得到集成有所述传感电路结构的待制作结构件还包括：

8、利用混合3d打印系统中的熔融沉积打印平台按照待制作结构件的几何特征和材料属性在转移膜上进行熔融沉积打印，逐层打印至传感电路结构所在平面处时暂停打印并得到结构件半成品，且结构件半成品的表面在传感电路结构占用的传感电路区域处形成有预定厚度的凹槽；

9、利用转移膜将结构件半成品转移到混合3d打印系统中的直书写打印平台处，利用直书写打印平台在结构件半成品对应传感电路区域的凹槽内打印制作传感电路结构；

10、利用转移膜将制作完传感电路结构的结构件半成品转移到熔融沉积打印平台处，利用熔融沉积打印平台按照待制作结构件的几何特征和材料属性继续在结构件半成品的表面打印，直至制作得到内嵌有传感电路结构的待制作结构件。

11、其进一步的技术方案为，对待制作结构件关注的变形特征参数包括变形类型和变形关注区域；

12、确定在待制作结构件上布设的传感单元的数量和各个传感单元的布设位置包括：

13、根据变形类型相关的各阶模态的模态分析结果确定在待制作结构件上布设的传感单元的数量n，n为整数参数；

14、根据变形关注区域内的模态分析结果确定n个传感单元各自的布设位置。

15、其进一步的技术方案为，确定在待制作结构件上布设的传感单元的数量n包括：

16、以选取的模态阶数的数量最少为原则，从变形类型相关的各阶模态中选择出使得对应的有效质量之和达到结构总质量的预定占比的n个目标模态阶数，以选择出的目标模态阶数的数量n作为在待制作结构件上布设的传感单元的数量n。

17、其进一步的技术方案为，根据变形关注区域内的模态分析结果确定n个传感单元各自的布设位置包括：

18、利用待制作结构件的有限元模型中位于变形关注区域内的n个网格节点分别在n个目标模态阶数下的位移模态构建位移模态矩阵ψn×n；

19、对待制作结构件的有限元模型中的所有网格节点进行排列组合构建得到若干个候选组合，每个候选组合中包括n个网格节点；利用每个候选组合中的n个网格节点分别在n个目标模态阶数下的应变模态构建候选组合对应的应变模态矩阵ψn×n；

20、根据每个候选组合对应的应变模态矩阵ψn×n以及位移模态矩阵φn×n，从所有候选组合中选择出对待制作结构件的变形位移监测最准确的一个候选组合作为最优候选组合，并确定最优候选组合中的n个网格节点的位置分别为n个传感单元的布设位置。

21、其进一步的技术方案为，从所有候选组合中选择出最优候选组合包括：

22、根据每个候选组合对应的应变模态矩阵ψn×n以及位移模态矩阵φn×n，构建候选组合对应的位移应变转换矩阵tn×n＝φn×n·[(φn×n)t·ψn×n]-1·(ψn×n)t；

23、结合最小条件数的范数判断准则，将范数最小的位移应变转换矩阵tn×n对应的候选组合作为最优候选组合。

24、其进一步的技术方案为，对于构建得到的任意一个候选组合：候选组合中任意两个网格节点之间的节点距离大于单个传感单元的尺寸，且所有网格节点在各个方向上的最大距离都不超过预定距离阈值。

25、其进一步的技术方案为，根据确定的各个传感单元的布设位置设计得到传感电路结构包括：若干个传感单元、若干个单端电极以及共用电极，若干个传感单元分别位于各个传感单元的布设位置处，共用电极位于各个传感单元的一侧且连接各个传感单元的第一端，若干个单端电极位于各个传感单元相对于共用电极的另一侧，每个单端电极分别连接对应的一个传感单元的第二端。

26、其进一步的技术方案为，打印传感电路结构包括：

27、在结构件半成品上打印一层环氧树脂；

28、以碳浆为打印材料打印制作传感电路结构中的各个传感单元；

29、以银浆为打印材料打印制作传感电路结构中的共用电极以及各个单端电极；

30、在共用电极上连接引出线，分别在各个单端电极上连接引出线，制作得到传感电路结构。

31、其进一步的技术方案为，在混合3d打印系统中，熔融沉积打印平台和直书写打印平台相邻放置且两个打印平台的载物台表面水平高度相同；

32、通过向直书写打印平台的方向拉动转移膜将结构件半成品平移转移直书写打印平台的载物台表面而位于直书写打印平台处，通过向熔融沉积打印平台的方向拉动转移膜将制作完传感电路结构的结构件半成品平移转移熔融沉积打印平台的载物台表面而位于熔融沉积打印平台处。

33、本技术的有益技术效果是：

34、本技术公开了一种集成传感功能的结构件的混合3d打印快速制作方法，采用熔融沉积打印与直书写打印结合的方式，将待制作结构件直接集成制作在待制作结构件上进行应变监测，结合重构算法即可重构得到待制作结构件的全局位移场。由于传感单元及其他电路结构直接集成在待制作结构件上，因此不会发生移位和脱落的情况，使用可靠性较高，而且传感单元与待制作结构件直接接触，不再经过胶水等粘贴结构，应变监测更准确，使得后续重构得到的全局位移场也更准确。

35、该方法还基于模态算法确定使得传感单元数量最小化的各个传感单元的布设位置，使得传感单元的监测位置更合理准确，且传感电路结构也更为精简，简化了制作难度。传感单元采集到的应变信息结合设计阶段确定的最优候选组合的位移应变转换矩阵即可成功获取在未知载荷的情况下结构件的全场位移信息，与传统的基于光纤光栅传感器和位移重构算法相结合的方法相比，该方法具有成本低、制造速度快、重构精度高等优势，适合在传感-位移重构功能-集成结构或器件的设计和制造方面进行推广应用。

36、该方法不仅可以在待制作结构件的表面制作传感电路结构，还可以在待制作结构件的内部嵌入制作传感电路结构，进一步提高传感电路结构的使用可靠性。