[发明专利]一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法

说明书

本发明公开的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，属于光纤铺设技术领域。本发明包括外壳、光纤铺设旋转平台、六自由度打印头、光纤铺设机械组件和光纤收纳组件。光纤铺设机械组件包括可升降的机械手组件、导轨平台、水平导轨、可伸缩的机械臂和两尖柔喙夹头。通过六自由度3D打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，实现在平面360°内边打印结构件边在3D打印结构件内部铺设光纤，能够在竖直平面内铺设单根光纤并预留部分光纤作为熔接接头。通过本发明还能够将3D打印结构件变为智能结构件，实时监测打印过程中结构件形变，提高打印质量。通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3D打印结构件健康监测系统提供支撑。

技术领域

本发明涉及一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，属于光纤铺设技术领域。

背景技术

3D打印技术融合了计算机辅助设计、材料加工与成型技术等先进技术以数字模型文件为基础，通过软件与数控系统将专用的金属材料、非金属材料或医用生物材料，按照挤压、烧结、熔融、光固化、喷射等方式逐层堆积，制造出实体物品的制造技术。由于3D打印技术是依靠堆积原理来制造结构件，在堆积过程中内部偶尔会出现缺陷。而且在堆积过程中，若第一层材料冷却过快，则第二层材料与第一层材料就无法完全结合，整体结构的强度就会受到影响。与此同时随着我国3D打印技术的快速发展，3D打印技术已经广泛应用于医学治疗、房屋建筑、航空航天、汽车制造等领域，由于3D打印结构件的特殊性，对于结构件内部损伤的监测变得尤其重要。

为了解决上述问题，现有的方法一般将用于监测的传感器粘贴于3D打印结构件的表面，通过对结构件表面温度、应变的监测以及相关数据处理算法对结构件内部损伤进行监测。但是这种方法一方面存在较大的监测误差，另一方面结构件使用的时间较长时容易出现传感器脱落现象。近几年虽然也出现了在3D打印结构件内部铺设光纤的一些方法及设备，但是这些技术只实现了在二维平面内铺设光纤且结构复杂。而在实际的工程应用中往往需要对3D打印结构件进行多方向监测。如何在3D打印的同时进行光纤的三维铺设就成为了亟待解决的问题。过去的3D打印技术温度较高，往往会导致嵌入3D打印结构件内部的电子元件损坏，而随着光纤制造技术的发展，耐高温光纤可承受的温度越来越高，使得在3D打印结构件内部嵌入耐高温光纤成为可能。同时美国的FABRISONIC公司提出了一种超声波增材制造(UAM)技术实现了在低温环境下的3D打印，使得在打印结构件内部嵌入的电子器件不会损坏，也使得在3D打印结构件内部嵌入普通光纤成为可能。所以本发明利用光纤作为传感器埋入3D打印结构件监测内部损伤与缺陷，不仅精度得到了保证而且自动化程度较高，可以节约大量的人工成本与铺设时间。

发明人发现：目前很多3D打印结构件损伤检测或监测的方法都是在3D打印结构件表面粘贴传感器，通过对3D打印结构件表面的形变量、应力、应变等变化推测其内部缺陷或损伤，而现有的内埋光纤的技术也只能在水平方向上铺设光纤，对3D打印结构件无法实现竖直方向上的监测。

发明内容

为了解决现有光纤铺设技术无法在竖直方向铺设光纤，导致信息采集不全的问题，本发明的主要目的是提供一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置及方法，通过六自由度3D打印头与铺设光纤的机械手组件协同配合，能够实现在平面360°的范围内边打印结构件边在3D打印结构件内部铺设光纤，并能够在竖直平面内铺设单根光纤并预留部分光纤作为熔接接头。通过本发明还能够将3D打印结构件变为智能结构件，实时监测打印过程中结构件的形变，提高打印的质量。同时通过预留的熔接接头与传感系统的其他器件相结合，为建立3D打印结构件健康监测系统提供支撑。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明公开的一种基于3D打印的旋转式光纤铺设装置，包括外壳、光纤铺设旋转平台、位于光纤铺设旋转平台正上方的六自由度打印头、固定于光纤铺设旋转平台的光纤铺设机械组件和光纤收纳组件。