基于热粘合嵌入（TBE）光纤应变片增材制造载荷传感器

《Results in Engineering》：Additive Manufacturing of Load Sensors via Thermal Bonding-Based Embedding of Optical Fiber Strain Gauges

　　

研究人员提出了一种基于热粘合嵌入（Thermal Bonding-based Embedding, TBE）的方法，用于在增材制造（Additive Manufacturing, AM）即3D打印过程中自主集成光纤应变片（Optical Fiber Strain Gauge），特别是光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating, FBG）传感器，以制造载荷传感器。现有集成功能传感器（如电气应变片和FBG）的3D打印方法通常需要手动组装或在打印过程中暂停以放置传感器，这限制了布线复杂度、设计自由度、重复性和制造效率。为解决这些问题，研究人员开发了TBE方法，该方法利用熔融沉积建模（Fused Deposition Modeling, FDM）材料的热塑性特性，通过加热喷嘴使部分打印的传感器基体表面熔化，同时进给光纤应变片，从而在冷却后实现应变片与基体的粘合与嵌入。研究人员优化了TBE工艺参数（喷嘴压入深度、喷嘴温度、喷嘴移动速度），并通过剥离试验、横截面显微观察和三点弯曲试验验证了嵌入质量和应变传递能力。研究人员进一步制造了单轴载荷传感器和六轴力/力矩（Force/Torque, F/T）传感器，并利用校准矩阵和机器人插销入孔（peg-in-hole）任务验证了传感器的测量精度和实用性。研究结果表明，TBE方法能够实现光纤应变片在3D打印结构中的自主、复杂路径嵌入，所制造的传感器具有高线性度（R2达0.9996）、低满量程误差（1.9% F.S.）和适用于机器人实时力反馈控制的性能。

论文解读：基于热粘合嵌入（TBE）光纤应变片的增材制造载荷传感器研究

研究背景与意义：

在机器人技术、结构健康监测和工业自动化等领域，集成有载荷传感功能的3D打印（增材制造，AM）结构件因具有设计自由度高、重量轻和成本低等优势而备受关注。然而，目前在3D打印过程中集成应变传感元件（如电气应变片或光纤布拉格光栅（FBG）传感器）主要依赖手动组装或在打印中途暂停以放置传感器。这种方法存在若干局限性：电气应变片需要导电材料且引线数量随通道数增加而增加，限制了材料选择和布线复杂度；现有的光纤传感集成方法（如基于光频域反射仪（OBR）或手动嵌入FBG）存在采样率低、需手动操作、路由路径受限以及重复性差等问题。因此，亟需一种能够实现光纤应变片自主、复杂路径嵌入且避免上述限制的3D打印集成方法。本研究提出的基于热粘合嵌入（TBE）的方法，利用FDM（熔融沉积建模）材料的热塑性，在打印过程中直接通过加热压合的方式嵌入光纤应变片，解决了手动操作和布线复杂的问题，为制造多轴、高集成度的载荷传感器提供了新途径。该论文发表在《Results in Engineering》期刊。

主要关键技术方法：

研究人员主要采用了自行改装的双挤出头FDM 3D打印机（基于Creality Ender-3），其中一个挤出头用于常规PLA（聚乳酸）丝材的传感器基体打印，另一个为TBE专用挤出头（将送丝齿轮替换为柔性顺从齿轮以进给光纤）。核心TBE工艺为：先将传感器基体部分打印，然后将喷嘴加热至PLA玻璃化转变温度以上，喷嘴按预定路径移动并压入已打印表面（特定压入深度），同时进给光纤应变片（FBG阵列），使接触面材料熔化后与光纤粘合，冷却后完成嵌入，最后继续打印剩余基体部分。研究人员通过控制变量法实验优化了压入深度（d_Ind）、喷嘴温度（t_Nz）和喷嘴移动速度（v_Nz），并采用90°剥离试验、光学显微横截面观察、三点弯曲对比试验（与电气应变片对比）以及六轴力/力矩（F/T）传感器校准与机器人装配任务（peg-in-hole）进行验证。

研究结果：

1. 1.
   提出的方法（Proposed Method）：
   研究人员详细介绍了FBG的测量原理（布拉格波长λ_B=2n_effΛ，波长漂移Δλ_B对应应变ε和温度ΔT）和TBE方法。TBE方法利用加热喷嘴（温度设为PLA加工温度约230°C）压入部分打印的PLA基体（压入深度0.2 mm），同时以与喷嘴移动速度同步的速度（1.0 mm/s）进给光纤应变片，使接触区域PLA熔化并与光纤包层粘合，随后固化形成嵌入。研究人员设计了双挤出头打印机（FDM打印基体 + TBE嵌入光纤），虽当前实验分步使用两台打印机（商用Raise3D Pro3打印基体，改装Ender-3进行TBE），但明确了集成到单一双喷嘴系统的可行性。
2. 2.
   TBE方法参数优化（Parameter Optimization for the TBE method）：
   研究人员通过三组实验确定了最优参数：
   • •
     实验1（压入深度）：变化d_Ind（0.2-1.0 mm），固定t_Nz=230°C、v_Nz=1.0 mm/s。通过测量表面脊高度（接触力法）发现0.2 mm时脊高最小且满足光纤直径（0.125 mm）嵌入余量，故选择d_Ind=0.2 mm。
   • •
     实验2（喷嘴温度）：变化t_Nz（190-240°C），固定d_Ind=0.2 mm、v_Nz=1.0 mm/s。通过90°剥离试验发现≥200°C时可成功粘结，230°C时粘结强度高且低于PLA推荐上限235°C以避免热降解，故选择t_Nz=230°C。
   • •
     实验3（喷嘴移动速度）：变化v_Nz（0.5-2.5 mm/s），固定d_Ind=0.2 mm、t_Nz=230°C。剥离试验表明≤2.0 mm/s时粘结成功，0.5 mm/s强度最高但1.0 mm/s平衡效率与强度，故选择v_Nz=1.0 mm/s。
3. 3.
   通过TBE方法3D打印载荷传感器的验证（Validation of 3D-printed load sensor by TBE method）：
   • •
     横截面观察（Cross-sectional observation）：光学显微镜显示光纤被PLA基体几乎完全包裹，界面无空隙，证明了嵌入质量与紧密接触，有利于应变传递。
   • •
     应变测量能力（Strain Measurement Capability）：三点弯曲试验对比嵌入式FBG应变（ε_op）与表面粘贴的电气应变片输出（s_el），两者响应一致（R²=0.9996），表明应变能有效从基体传递至光纤。
   • •
     单轴载荷传感器性能评估（Performance Evaluation as a Single-Axis Load Sensor）：载荷-应变关系线性度高（R²=0.995），RMSE为0.52 N（满量程误差1.9% F.S.，最大载荷26.6 N），迟滞误差0.85 N（3.2% F.S.），主要源于PLA粘弹性。
4. 4.
   扩展至六轴力/力矩（F/T）传感器（Extension to six-axis force/torque sensor）：
   • •
     传感器结构与应变测点布置（Sensor Structure and Strain Sensing Point Arrangement）：设计了带三个对称辐条（应变集中区）和45°悬垂覆盖件的六轴F/T传感器结构，在单根光纤上布置6个FBG测点（间距20 mm），沿辐条两侧路由以检测拉/压应变。有限元分析（FEM）显示不同载荷下应力分布模式差异明显，支持六轴解耦估计。
   • •
     F/T传感器制造（Fabrication of the F/T sensor）：采用分步打印（商用FDM部分打印→TBE嵌入光纤→返回FDM完成打印），实现了复杂光纤路径嵌入。
   • •
     校准与性能评估（Calibration and Performance evaluation）：通过六轴参考传感器（Leptrino PFS030YA151U6）校准得到6×6矩阵K_clb，估计力/力矩的R²均高于0.983，满量程误差低于3.1% F.S.，存在最大4.9% F.S.的串扰误差。
   • •
     可行性（Feasibility）：在机器人（FANUC CRX-5iA）插销入孔任务中，基于传感器反馈的PD控制成功完成装配，证明了传感器在实时力反馈控制中的实用性。

讨论部分总结：

研究人员讨论了TBE方法的优势（自主嵌入、复杂路径、单光纤多测点、减少布线）及局限性：目前仅验证PLA材料，未来需拓展至ABS、TPU等热塑性材料并研究材料依赖性；需评估长期耐久性、疲劳特性和温度鲁棒性（当前假设恒温，未来可利用FBG多点测温补偿）；当前分步打印可能导致对齐误差，未来需集成至单一双喷嘴系统；需开发自动光纤路径生成算法以匹配测点位置与机械设计。此外，PLA的粘弹性导致迟滞，未来可通过退火或使用其他材料改善。

结论部分翻译：

本研究提出了一种TBE方法，用于在3D打印过程中自主集成光纤应变片，并实验演示了其在制造载荷传感器（包括六轴F/T传感器）中的可行性。该方法解决了现有3D打印传感器制造方法的关键限制，如手动组装、自动化有限以及传感通道增加带来的布线复杂度问题。TBE方法的主要优势在于利用FDM材料的热塑性，在3D打印过程中自主嵌入光纤应变片。与需要手动放置或后处理粘合光纤的常规方法不同，该方法允许沿任意预定义路由路径嵌入应变片，显著提高了传感器结构设计自由度，便于复杂光纤路由，有利于多轴载荷传感应用。研究人员优化了TBE工艺参数，进行了横截面观察以明确粘合状态，实验评估证明了嵌入式光纤应变片的应变传感性能，确认了该方法制造载荷传感器的可行性。此外，开发的六轴F/T传感器在实际机器人应用中得到了验证，结果表明通过TBE方法制造的载荷传感器能在真实操作条件下有效工作，并为机器人操作任务提供可靠的F/T测量。未来工作包括拓展该方法至更广泛传感器基体材料，集成传感器基体打印与TBE光纤嵌入至单一双喷嘴3D打印机，以及开发光纤路由的自动路径生成算法，以进一步提升TBE制造载荷传感器的设计自由度、传感性能和制造效率。