一體化3D打印傳感器,，低成本革新柔性傳感與工業(yè)監(jiān)測

來源：復(fù)合材料力學(xué)

工業(yè)4.0時代,，機器需要更聰明的“感官”——但傳統(tǒng)傳感器成本高、生產(chǎn)慢,、功能單一,？我們顛覆性突破來了！只需一臺3D打印機,，用“碳纖維+TPU”復(fù)合材料快速打造一體化超材料傳感器：低成本材料,、數(shù)小時量產(chǎn)、單層結(jié)構(gòu)直接感知應(yīng)變,、應(yīng)力,、溫度！從機械臂實時精準操控,，到復(fù)雜環(huán)境下的設(shè)備健康監(jiān)測,，它像給工業(yè)機器裝上“感知神經(jīng)”，讓生產(chǎn)線自主適應(yīng)復(fù)雜工況,。告別多層堆疊和復(fù)雜工藝,，這才是未來智能制造的“基礎(chǔ)設(shè)施”！

近期,，西安交通大學(xué)韓賓,、張琦教授團隊提出一種創(chuàng)新方法：基于連續(xù)碳纖維（CCF）和熱塑性聚氨酯（TPU），通過熔融沉積建模3D打印技術(shù)結(jié)合星形超材料設(shè)計,，成功制備高性能柔性多功能傳感器,。相關(guān)成果以“3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors”為題發(fā)表于國際權(quán)威期刊《Chemical Engineering Journal》。

圖1  傳感測量的原理

柔性多功能傳感器能夠同時檢測和傳輸不同外部信號的變化,，在電子皮膚,、人機交互等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。然而，制造具有多種功能的柔性傳感器在成本,、生產(chǎn)率和集成方面仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。該研究介紹了一種利用連續(xù)碳纖維（CCF）和熔融沉積建模（FDM） 3D打印技術(shù),，結(jié)合星形超材料設(shè)計,，制作柔性多功能傳感器的新方法。

研究開發(fā)的傳感器通過創(chuàng)新3D打印技術(shù)實現(xiàn)單層集成,，摒棄了傳統(tǒng)工藝中復(fù)雜的化學(xué)合成與多層封裝步驟,，生產(chǎn)速度高達2.9米/小時，較傳統(tǒng)方法提升5倍,。其核心功能涵蓋應(yīng)變（0-180%）,、應(yīng)力（0-1 MPa）及溫度（30-100°C）的同步檢測，溫度靈敏度達0.5%/°C,，尤其在沖擊載荷下電阻變化率高達15%,，展現(xiàn)了寬域傳感能力與高環(huán)境適應(yīng)性。通過星形超材料的路徑優(yōu)化設(shè)計,，傳感器實現(xiàn)了各向同性結(jié)構(gòu),，在1000次拉伸循環(huán)后電阻波動小于3%，耐久性顯著超越傳統(tǒng)碳納米管/PDMS傳感器,，為可穿戴設(shè)備與工業(yè)監(jiān)測提供了高穩(wěn)定性的解決方案,。最后通過將該工作的柔性傳感器應(yīng)用于假手動作感知與操控，有望實現(xiàn)“遠程操控+智能抓取”的集成場景應(yīng)用,。

圖2  本研究與傳統(tǒng)多層柔性傳感器的綜合性能評估

圖3  手腕彎曲實驗及彎曲過程中的阻力變化

圖4  沖擊載荷下的電阻特性

圖5 3D柔性傳感器應(yīng)用于假手動作感知與操控：遠程柔性操控+智能抓取未來

研究的創(chuàng)新點如下：

（1）通過超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計,，賦予CCF/TPU傳感器對應(yīng)變、應(yīng)力及溫度的協(xié)同響應(yīng)能力,，首次實現(xiàn)單一材料多物理場同步檢測,，為復(fù)雜環(huán)境監(jiān)測提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

（2）基于手形超材料的柔性傳感器成功應(yīng)用于人體肘部運動監(jiān)測,，驗證其在運動追蹤場景的實用性,，拓展了可穿戴設(shè)備的傳感維度。

（3）采用一體化3D打印工藝,，實現(xiàn)高集成度,、低成本與快速制造，突破傳統(tǒng)傳感器工藝復(fù)雜與高成本的瓶頸,。

未來該團隊的研究將聚焦于提升傳感器對多源信號的解耦能力,，并深入探究其在振幅、頻率及模態(tài)分析等維度的振動傳感特性,，結(jié)合超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進一步優(yōu)化動態(tài)響應(yīng)性能,。通過深化對復(fù)合信號識別機制與振動能量傳遞規(guī)律的研究，該技術(shù)有望在工業(yè)監(jiān)測,、智能機器人觸覺反饋等領(lǐng)域拓展應(yīng)用邊界,，持續(xù)釋放其技術(shù)潛力與實用價值,。

西安交通大學(xué)韓賓副教授為論文的通訊作者。論文的第一作者是西安交通大學(xué)研究生王一諾,。合作者還包括西安交通大學(xué)張琦教授,。

作者簡介：

韓賓，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院長聘副教授,，博士生導(dǎo)師,，Materials期刊編委、航天制造技術(shù)期刊青年編委,。從事多功能輕質(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計,、先進增材制造技術(shù)、復(fù)合材料成形及焊接等領(lǐng)域的研究工作,。主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金,、科技部重點研發(fā)計劃課題、軍工科研項目,、省部級科研項目及校企合作項目等20余項,。在Int Mater Rev, Compos Part B,ChemEng J, Compos SciTechnol, AdditManuf, Virtual Phys Prototy, Energy, Int J Plasticity, Int J MechSci, Mater Design, Compos Struct等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表中英文論文100余篇（SCI 90余篇），被引3800余次,，H因子32,；獲得授權(quán)發(fā)明專利40項、軟件著作權(quán)5項,；榮獲陜西省科技進步一等獎,、陜西高校科學(xué)技術(shù)一等獎,、陜西博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽銀獎,、江蘇省力學(xué)學(xué)會科學(xué)技術(shù)特等獎等省部級獎勵4項。

個人主頁：

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https://scholar.google.com/citat ... u0AAAAJ&hl=en&oi=ao

張琦,，西安交通大學(xué)機械工程學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師。陜西省三秦英才特殊支持計劃科技創(chuàng)新領(lǐng)軍人才,，十四五“增材制造與激光制造”重點專項總體組專家,，中國航發(fā)科技委專業(yè)委員會委員，大飛機增材制造協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)盟理事,，陜西省機械工程學(xué)會理事,，機械工程學(xué)會塑性工程分會理事。國防科學(xué)技術(shù)進步二等獎及陜西省科技進步一等獎,，主持JKW基礎(chǔ)加強項目,，激光與增材制造重點研發(fā)計劃，國家自然科學(xué)基金，04重大專項,，陜西省重點研發(fā)計劃,。發(fā)表高水平學(xué)術(shù)論文120余篇，授權(quán)發(fā)明專利148項,。

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