航空航天用智能材料夹层结构的3D打印一体化制造方法与流程

本发明涉及一种航空航天用智能材料夹层结构的3d打印一体化制造方法。

背景技术：

智能材料即是一类能感知环境变化，通过自我判断得出结论，并自主执行相应指令的材料。其具备了生命智能的三要素：感知功能(监测应力、应变、压力、温度、损伤)、判断决策功能(自我处理信息、判别原因、得出结论)和执行功能(损伤的自愈合和自我改变应力应变分布、结构阻尼、固有频率等结构特性)，集合了传感、控制和驱动功能，能适时感知和响应外界环境变化，作出判断，发出指令，并执行和完成动作，使材料具有的自检测、自诊断、自监控、自愈合及自适应能力，如今在航空航天领域有着广泛的应用。

目前在智能材料结构的研究和应用中，很多都限于传感器和驱动器本身的研究，然后直接将其排布在包裹材料中，从而构成自适应变形结构和损伤自诊断系统。然而这种方法存在以下诸多问题：(l)智能结构中功能器件接口部分缺乏必要保护，影响结构外形，且难以加工；(2)器件排布和结构成形同时进行，系统性能难以保证；(3)缺少埋置前的标定环节，影响对结构信息判别的正确性。

因此本发明将采用一种航空航天用智能材料夹层结构的3d打印一体化制造方法来进行智能材料的加工和制造。实现的途径是采用一种标准化、模块化的功能器件智能夹层来解决材料和功能器件的集成问题,使功能器件便于嵌入在模型中，并且还便于在此之前对其进行标定,充分了解功能器件的传感和驱动性能,为实现智能材料的功能提供方便。利用改进的柔性印刷线路制作工艺制备功能器件智能材料夹层，基于实验室开发的数字微滴喷射技术打印柔性电路板的连接线路，并对电路进行精密封装。采用埋入和粘贴的方法将智能材料夹层结构与航空航天结构件集成在一起。

技术实现要素：

针对于现有技术的缺陷，本发明所设计的一种航空航天用智能材料夹层结构的3d打印一体化制造方法，结合了熔融沉积和数字微喷技术的优势，为实现低成本、高分辨率的能应用于航空航天领域的智能材料的制造提供了一种新方法。

本发明提出的一种航空航天用智能材料夹层结构的3d打印一体化制造方法，包括下列步骤：步骤一：基底结构的设计和打印；步骤二：功能器件的制作；步骤三：将功能器件放入夹层中；步骤四：完成构件封装

具体的，步骤一：基底结构的设计和打印；

根据所要完成的智能材料夹层结构特征，使用三维绘图软件绘制结构的基底三维模型，采用fdm三维打印技术制造基底结构，包括外形结构、智能材料功能器件夹层以及连接电路所需的沟槽结构。

优选的，所述基底结构打印材料包括尼龙、连续纤维增强树脂。

进一步，步骤二：功能器件的制作；

根据要实现的功能器件电路图，将所需智能材料固定在柔性基板上，而后使用数字微喷技术打印导电油墨以完成连接电路的打印实现电子元器件之间的连接，最终完成智能材料功能器件的制作。

优选的，所述导电油墨使用的是导电银浆。

进一步，步骤三：将功能器件放入夹层中；

当夹层结构的基底部分打印完成时，暂停打印过程。将功能器件放置到基底上相应的夹层位置并进行固定。如需要引出电路，在这一步时将导线沿预先设计好的沟槽铺放并固定。

进一步，步骤四：完成构件封装；

将嵌入功能器件的基底结构重新放回fdm三维打印机的工作台上。要确保精准定位，使放入位置与最初取出时在同一位置，进行上层结构的打印以及最后的封装。

由于本方法所要实现的为智能连续纤维增强树脂基复合材料构件，构件表面有一定粗糙度，所以本方法所使用导电油墨为由于具有粘度大、粘合能力强的特性的导电银浆。

有益效果：本发明提供了一种航空航天用智能材料夹层结构的3d打印一体化制造方法，结合了熔融沉积和微滴喷射的优点，将三维打印所具有的制造速度快、可以制作复杂结构的特点应用在了航空航天用智能材料夹层结构的制造上。为实现低成本、高分辨率的航空航天用智能材料夹层结构制造提供了一种新方法。

附图说明

图1是本发明实施例的压电装置电路图；

图2是本发明实施例的智能压电复合材料示意图；

图3是本发明实施例的光纤传感系统示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施案例一：飞机座舱壁板压电智能减振降噪结构

步骤一：使用三维建模软件创建两个400mm*400mm*3mm的长方体模型，第一个模型上表面留有边长为100mm，宽度为100mm，深度为1mm的正方形凹槽，并且正方形凹槽周围留有数条凹槽延伸到模型边缘。

步骤二：如图1所示，根据压电功能器件4的电路图设计打印路径，在柔性基板3上放入压电片2并使用数字微喷技术将导电银浆油墨打印在柔性电路板1上，完成功能器件的制作。

步骤三：使用连续cfrp三维打印机打印模型一，在打印完成后，暂停打印过程并取出打印模型，将功能元器件放在打印模型的凹槽内，并是用导线将功能器件引脚沿着凹槽引出模型边缘。

步骤四：将打印完连接电路的功能性结构重新装回fdm三维打印机的工作台上。要确保精准定位，使其与最初取出时在同一位置，进行模型二的打印以及最后的封装。如图2所示，压电功能器件4被包裹在外壳模型5内。

实施案例2：液氢燃料罐上的光纤传感系统

步骤一：使用三维建模软件创建一个400mm*150*mm*2mm的长方体模型，第一个模型上表面留有蜿蜒曲折的、深度为1mm凹槽。

步骤二：使用连续cfrp三维打印机打印模型一12，在打印完成后，暂停打印过程并取出打印模型，将包裹有光纤涂覆层11的玻璃光纤13沿凹槽放在打印模型的内，并用双面胶将其固定在凹槽内。

步骤三：将打印完连接电路的功能性结构重新装回fdm3d打印机的工作台上。要确保精准定位，使其与最初取出时在同一位置，进行模型二的打印以及最后的封装。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

技术特征：

技术总结
一种航空航天用智能材料夹层结构的3D打印一体化制造方法，首先根据所要实现的智能材料夹层结构设计基底、智能材料功能器件、沟槽以及封装的三维模型。其次根据功能器件的设计方案，通过数字微喷打印导电油墨的方式将薄片或纤维状的智能材料在柔性基板上连接起来以制作功能器件。接下来以FDM的打印方式实现基底和封顶的打印，在打印过程中，通过控制打印机的暂停和续打功能将制作好的功能器件放入设计好的智能材料夹层中并最后封装完成智能材料夹层结构的制作。最后根据需要可以再打印一定形状和尺寸的连接件，与航空航天结构实现连接和复合。

技术研发人员：朱小刚;刘正武;乔凤斌;赵维刚;程军;杨继全;韩宁达;刘益剑
受保护的技术使用者：上海航天设备制造总厂有限公司
技术研发日：2018.09.17
技术公布日：2019.02.19