西安交通大學田小永教授團隊：基于連續(xù)纖維拉脹結(jié)構(gòu)的可拉伸應(yīng)變傳感器的3D打印

來源：機械工程學報

引用論文

Wanquan Yan, Xiaoyong Tian, Daokang Zhang, Yanli Zhou, Qingrui Wang. 3D Printing of Stretchable Strain Sensor Based on Continuous Fiber Reinforced Auxetic Structure. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023，2(2): 100073.

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100073.

‍https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2772665723000120

1 研究現(xiàn)狀

可拉伸應(yīng)變傳感器的需求日益增加，然而傳統(tǒng)的制備工藝已經(jīng)逐漸不能支持其復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及低成本、低能耗的發(fā)展需求，其傳感性能也由于受制于泊松收縮難以實現(xiàn)有效的提升。通過拉脹結(jié)構(gòu)抑制泊松收縮是一種可以大幅提升壓阻式柔性應(yīng)變傳感器靈敏度性能的方法，但也使得其制造面臨更嚴峻的考驗。此外，由于柔性傳感復合材料不穩(wěn)定性以及彈性基體材料遲滯性的存在，應(yīng)用于精準的變形檢測與控制尚存在一定的困難。

Fig. 1 (a) Fabrication process of the auxetic structure sensor; (b) Section view of the barrel for printing auxetic structure

2 研究難點或瓶頸

（1）通過多材料墨水直寫打印設(shè)備開發(fā)，以及合理制備工藝設(shè)計，實現(xiàn)集成度高、成本低且高效的拉脹結(jié)構(gòu)傳感器3D打印制備工藝

（2）拉脹結(jié)構(gòu)材料優(yōu)化，所用材料既需要具有足夠強力學性能，有效抑制彈性基底的泊松收縮甚至產(chǎn)生膨脹效果，也需要保持足夠的柔韌性，避免多次使用后出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷而減低耐久度。

（3）傳感器遲滯性對于結(jié)構(gòu)的精準變形控制尚存在一定的困難，需要更高精度的控制算法。

Fig. 2 (a) Prepared fiber-PDMS auxetic sensor, film sensor, and PTFE-PDMS auxetic sensor; (b) Stretching process of the sensors; (c) Mechanical properties of the auxetic structure material; (d) Lateral strain of the film sensor and the auxetic sensor; (e) Poisson's ratio at 20% strain of the film sensor and the auxetic sensor

3 展望（發(fā)展趨勢）

可拉伸應(yīng)變傳感器的需求將日益增加，且性能需求也將更加苛刻，傳統(tǒng)傳感器制備工藝將不能支持其復雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及低成本、低能耗的發(fā)展需求，3D打印技術(shù)將為其進一步發(fā)展提供便利。3D打印技術(shù)不僅能夠大大提高傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計的靈活性，更能實現(xiàn)傳感器的高效集成制造。拉脹結(jié)構(gòu)可以抑制彈性材料的泊松收縮，將成為提升可拉伸傳感器靈敏度的有效方案之一并得到長足發(fā)展。可拉伸傳感器由于存在一定程度的不穩(wěn)定性與遲滯性，未來將依靠更加精準的信號處理方法與控制邏輯，實現(xiàn)它在變體飛行器和可展開天線等大變形結(jié)構(gòu)的精確控制應(yīng)用。

團隊帶頭人介紹

田小永，西安交通大學教授、博士生導師，畢業(yè)于德國克勞斯塔爾工業(yè)大學，獲工學博士學位。研究方向：復合材料增材制造。發(fā)表論文70余篇，獲授權(quán)發(fā)明專利30件，通過專利授權(quán)實施，實現(xiàn)連續(xù)纖維增強復合材料3D打印工藝裝備的產(chǎn)業(yè)化推廣。入選西安交通大學青年拔尖人才支持計劃，獲得“王寬誠青年學者”、“陜西省青年科技新星”等稱號。擔任《Progress in Additive Manufacturing》（Springer）期刊 副主編、《中國機械工程學報：增材制造前沿》（英文）期刊副主編。

團隊研究方向

1） 多材料粉末床熔融智能工藝與裝備
關(guān)鍵技術(shù)一：粉末床全場溫度實時監(jiān)測與智能控制；
關(guān)鍵技術(shù)二：功能驅(qū)動材料、工藝一體化制造進程優(yōu)化技術(shù)；
關(guān)鍵技術(shù)三：高性能聚合物復合材料、多孔陶瓷成形與創(chuàng)新應(yīng)用探索。
2）高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料3D打印
關(guān)鍵技術(shù)一：高性能連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料3D打印；
關(guān)鍵技術(shù)二：基于工業(yè)機器人的多自由度復雜復合材料構(gòu)件3D打印；
關(guān)鍵技術(shù)三：創(chuàng)新應(yīng)用探索，如：復合材料飛行器3D打印、太空3D打印等。
3）多功能集成智能復合材料結(jié)構(gòu)nD打印
關(guān)鍵技術(shù)一：面向電磁調(diào)控的多功能集成結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與3D打印；
關(guān)鍵技術(shù)二：傳感、致動一體化智能結(jié)構(gòu)4D打印。

招生招聘

碩士研究生招生專業(yè)及方向
- 機械工程（080200）（學術(shù)學位）
● 53高性能3D打印技術(shù)與工程應(yīng)用
● 55復合材料成形與3D打印制造
● 56功能/智能復合材料設(shè)計與制造
- 機械工程（085201）（專業(yè)學位）
● 04增材制造（3D打印）技術(shù)

博士研究生招生專業(yè)及方向
- 機械工程（080200）
● 48復合材料成形與3D打印制造
● 49功能/智能復合材料設(shè)計與制造
● 88高性能3D打印技術(shù)與工程應(yīng)用
● 89智能結(jié)構(gòu)4D打印

近年團隊發(fā)表文章

[1] Zia A, Tian X, Liu T, et al. Mechanical and energy absorption behaviors of 3D printed continuous carbon/Kevlar hybrid thread reinforced PLA composites. COMPOSITE STRUCTURES. 2023; 303: 116386.

[2] Liu T, Zhang M, Kang Y, et al.  Material extrusion 3D printing of polyether ether ketone in vacuum environment: Heat dissipation mechanism and performance. Additive Manufacturing. 2023.

[3] Huang Y, Tian X, Zheng Z, et al.. Multiscale concurrent design and 3D printing of continuous fiber reinforced thennoplastic composites with optimized fiber trajectory and topological structure. COMPOSITE STRUCTURES. 2022; 285: 115241.

[4] Zhong Q, Tian X, Huang X, et al. High-accuracy calibration for multi-laser powder bed fusion via in situ detection and parameter identification. ADVANCES IN MANUFACTURING. 2022; 10(4): 556-570.

[5] Huo C, Tian X, Nan Y, et al. 3D printing of hierarchically porous monolithic TS-1 catalyst for one-pot synthesis of ethylene glycol. CHEMICAL ENGINEERING JOURNAL. 2022; 450: 138259.

[6] Malakhov A, Tian X, Zheng Z, et al. Three-dimensional printing of biomimetic variable stiffness composites with controlled orientations and volume fraction of fibers. COMPOSITE STRUCTURES. 2022; 299: 116091.

[7] Yan M, Tian X, Yao R. Processability and reusability of CF/PEEK mixture for Powder Bed Fusion of high strength composites. COMPOSITES COMMUNICATIONS. 2022; 35: 101318.

[8] Qin Y, Ge G, Yun J, et al. Enhanced impregnation behavior and interfacial bonding in CF/PEEK prepreg filaments for 3D printing application. JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH AND TECHNOLOGY-JMR&T. 2022; 20: 4608-4623.

[9] Xing X, Cao Y, Tian X, et al. A Thenno-Tunable Metamaterial as an Actively Controlled Broadband Absorber. Engineering. 2022.