登录
 机构网站
  1. 首页
  2. 情报产品
  3. 快讯详情

《基于面投影微立体光刻3D打印技术的共形压电传感器设计与制造》

  • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
  • 编译者： husisi
  • 发布时间：2020-09-15

  • 随着柔性电子领域的快速发展和物联网技术的普及，能够用来监测人类生理指标（如心跳、脉搏、运动周期、血压等）和机械运行状态（如主轴跳动、机器人运动状态感知等）信号的可穿戴电子器件逐渐应用到社会生活中。


    可穿戴电子器件的共形设计和制造使其在电子皮肤、柔性传感和人工智能中具有潜在的应用前景。当前，大多数电子器件是利用光刻、压印技术和电子束在硅表面进行制备。然而由于缺乏弯曲表面的加工工艺，要制备与复杂曲线表面（例如人体关节）共形的电子器件尤为困难。


    面投影微立体光刻3D打印技术（PμSL）可快速制造并成型任意形状和可设计的结构，为三维共形柔性电子器件的制造提供了灵活性和简便性。然而，考虑到柔性材料的成型工艺与功能特性，传统的制造工艺限制了功能材料的设计范围，降低了微结构的设计与成型尺度，制约了功能器件的成型和性能提升的范围。

    图1 论文工作的摘要图


    近日，西安交通大学机械工程学院陈小明、李宝童、邵金友教授等研究人员，从功能压电纳米复合材料的改性与压电器件的微结构拓扑优化等两方面出发，利用面投影微立体光刻3D打印技术（nanoArch S140，10μm精度，深圳摩方），通过设计并调节压电氮化硼纳米管材料（BNNTs）和光敏聚合物树脂的界面相容性，结合拓扑优化微结构方法，实现了具有高灵敏度、宽响应，且结构可覆形的柔性压电传感器制造。


    该研究以“3D printed piezoelectric BNNTs nanocomposites with tunable interface and microarchitectures for self-powered conformal sensors”为题发表在国际高水平期刊《Nano Energy》上，为高性能可穿戴柔性压电传感器件的设计与制造提供了新思路。


    工作要点一：功能纳米复合材料（BNNTs）的表面改性与材料制备，超低负载量（0.2wt%）的纳米复合材料表现出出色的压电性能：

    图2 功能纳米复合材料（BNNTs）的设计、改性与表征：

    a）BNNTs表面功能化工艺；（b）原始BNNTs/功能化BNNTs和树脂基体界面力学行为示意图；（c）极化与未极化BNNTs等压电输出信号


    为了提高压电纳米填料在有机聚合物溶液中的相容性和分散性，以及纳米复合材料的压电性能，通过用硝酸处理来实现纳米管表面的氧化和羟基形成，在超声处理下，官能化分子（TMSPM）与BNNT-OH表面的官能团嫁接，生成化学官能化的纳米管（F-BNNTs）。同时，纳米管上的丙烯酸酯基团显着提高了BNNTs在聚合物基体溶液中的分散性及压电输出；实验表明：相对于原始BNNTs，基于F-BNNTs的复合压电聚合物的压电输出提高了140% （见图2）。


    工作要点二：结构拓扑优化显著提高了复合材料的压电性能，微结构的纳米复合膜在较宽的响应区域上展现出高灵敏度；


    课题组研究人员的前期研究工作表明，微结构化能显著提升压电器件的输出信号（Small 13 (23), 1604245；Nano Energy 60, 701等）。因此为了实现器件电信号输出的最大化，本文采用结构拓扑优化的方法优化压电膜的微观结构，并利用高精度面投影微立体光刻3D打印的微尺度加工能力，实现拓扑微结构的制造。数值模拟结果表明，微结构的引入能显著提高压电输出，并且具有优化微结构（struct B-P 和struct C-P）的压电薄膜能进一步提高信号输出（见图3）。

    图3 平面和微图案化压电薄膜的设计和仿真结果


    通过微结构3D打印拓扑结构及压电信号测试，表明F-BNNTs /树脂复合膜的最大输出电压记录为4.7 V，与原始的平面F-BNNTs压电膜相比，输出提高了4.3倍，比未官能化的BNNTs基复合膜高出10倍。这种显著增强主要归因于聚合物和压电填料之间有效应力传递，以及复合膜的拓扑微结构设计。

    图4 （a-f）不同微结构压电薄膜；（g）薄膜压电输出；（h）压电微结构薄膜的压电输出实验与仿真对比


    工作要点三：基于PμSL技术实现共形压电器件制造与应用；

    与传统的微加工方法相比，面投影微立体光刻3D打印技术在设计和制造具有复杂几何形状的共形电子器件上具有更大的灵活性，如图5所示，曲面形状和微结构的制造证实了功能材料在复杂表面上的非平面制造能力。

    图5（a）面曝光3D打印原理；（b）微结构化的共形薄膜示意图


    可打印压电材料被用于构造机器人手的智能触觉应变传感器。为了确保压电器件在弯曲或不平坦表面上的功能性，根据机械手的表面设计了合适的3D模型，然后将共形器件打印并安装到机械手不同的指骨上，通过建立应变感应电压与特定手部姿势的映射关系，手指上的应变传感器阵列可为机械手提供触觉感测的能力。

    图6（a–d）机械手上的共形应变传感器可转换不同的姿势，例如松弛（a），抓取（b），吊勾（c）和托平（d）；（e）从托举球到抓紧球的姿势以及相应的电压响应（f）。


    如图6所示，手指上的应变传感器阵列可以使用14个压电应变传感器直接转换手的姿势，当用手握住不同结构的物体时，应变传感器会记录弯曲手指的不同输出信号。从预定义的传感器中获得的针对这种姿势的力的大小及其空间分布。3D打印的共形柔性压电传感器件可用于捕获接触区域上的力分布并监视机械手的不同运动，使其更能像人手一样具备相关功能，在人机交互中应用。


    本研究提出了一种面投影微立体光刻3D打印功能化纳米复合材料实现功能器件制造的方法，并通过材料改性与微结构设计两方面协同提升信号输出。研究结果表明：在光固化聚合物树脂中掺杂低负载量（0.2 wt％）的功能化氮化硼纳米管，并进行微结构拓扑优化，可实现高性能压电器件的制造。该方法制备的传感器在智能机器人、仿生电子皮肤、曲面结构件健康检测与人机接口等领域有广泛的应用前景。

92浏览量
原文链接
相关报告

  • 《3D打印技术在航天复合材料制造中的应用》
    • 来源专题：中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者：冯瑞华
    • 发布时间：2020-03-20
    • 复合材料的需求将以更快的速度增长，而其高成本成为制约复合材料广泛应用的重要瓶颈。低成本复合材料制造技术是目前世界上复合材料研究领域的一个核心问题。提高复合材料的性能价格比，除了在原材料、装配与维护等方面进行研究改进外，更重要的是降低复合材料制造成本。 3D打印 近年来，3D打印技术的出现为制造业开辟了一个全新的思路，不同于传统制造业的减材制造和等材制造，它通过添加材料的方式可以快速地成型复杂形状产品并且实现极大限度的利用原材料。 航天器的发射成本高，有效载荷的质量对发射成本影响巨大，因此有效载荷在结构设计和材料选用时特别注重结构效率。碳纤维复合材料具有比强度高、比模量大、热稳定性好、可设计性强等特点，优异的综合性能正是追求高性能、结构质量效率优化的航天产品所需。 目前，应用在航天光学遥感器的碳纤维复合材料产品涵盖遥感器的各个部位，如相机镜筒、相机支架、遮光罩、桁架等。所用树脂以环氧树脂和氰酸酯树脂为主，增强材料以连续碳纤维为主。根据具体产品特点和工艺特点，按照产品的性能要求和厚度要求将预浸料以一定的铺层顺序和铺层层数在模具上叠放形成坯体，再将坯体放入热压罐或热压机在高温环境下进行数小时的高温高压固化。 航天遥感器复合材料及制造工艺主要有以下特点： 1）为保证产品的力学性能，增强体采用连续纤维； 2）树脂基体环氧树脂和氰酸酯树脂均为热固性树脂，需要在特定的固化温度和压力下进行数小时固化（发生化学交联反应）以形成稳定的网状交联聚合物； 3）预浸料叠层坯体内部松散，为排出坯体中的空气和其他小分子，需对坯体在加热的同时施加高压，以提高制品的致密性，保证制品的力学性能； 4）对于复杂结构产品，为保证其力学性能，预浸料铺层设计往往需要多个平面或多个部位进行连续铺层，如薄壁加筋镜筒需保证法兰环和镜筒筒体的连续、加强筋与镜筒筒体的连续等，多向接头中要保证各端头周向连续、各端头之间的根部连续等。 3D打印技术 3D打印也叫增材制造，区别于传统的减材或等材加工制造方法，它是采用材料逐层累加的方法制造实体零件。该技术是在现代CAD/CAM技术、激光技术、计算机数控技术、信息技术、精密伺服驱动技术以及新材料与物理化学技术的基础上集成发展起来的。 其工作原理是将物理实体的计算机三维模型离散成一系列的二维层片，利用精密喷头或激光热源，根据层片信息，在数字化控制驱动下，将熔覆的成型材料通过连续的物理层叠加固化，逐层增加材料来生成三维实体产品。 在各种3D打印技术中，能够进行复合材料3D制造的主要有选区激光烧结（SLS）、熔融沉积成型（FDM）、分层实体制造（LOM）以及立体光刻技术（SL）。 SLS制造复合材料的主要方法是混合粉末法，即基体粉末与增强体粉末混合，激光按设计图纸的截面形状对特定区域的粉末进行加热，使熔点相对较低的基体粉末融化，从而把基体和增强体粘接起来实现组分的复合。该方法存在的问题是混合粉末中两种材料的密度不同，易出现沉降使得制品成分不均匀。通过合成单一复合材料粉末进行技术改进，制得的复合材料粉末将能克服混合粉末的易沉降、不均匀等问题从而能够制得品质更高的制品。 FDM工艺制造复合材料是预先将纤维和树脂制成预浸丝束，再将预浸丝束送入喷嘴，丝束在喷嘴处受热融化并按设计轨迹堆放在平台上形成一层层材料，层与层之间通过树脂部分或完全融化形成连接。FDM技术所用的复合材料预浸丝束必须满足组分、强度以及低粘度等要求，一般需要在复合材料中添加塑性剂增加流动性。 LOM技术与FDM类似，需预先制备单向纤维/树脂预浸丝束并排制成无纬布即预浸条带，预浸条带经传送带送至工作台，在计算机的控制下，激光沿三维模型每个截面的轮廓线切割预浸条带，逐层叠加在一起，形成三维产品。 利用SL制造复合材料，首先需将光敏聚合物与增强颗粒或纤维混合成混合溶液，利用紫外激光快速扫描存于液槽中的混合液，使光敏聚合物迅速发生光聚合反应，从而由液态变为固态，然后工作台下降一层薄片的高度，进行第二层激光扫描固化，如此反复，形成*终产品。SL制造复合材料存在增强颗粒发生沉淀导致颗粒分布不均匀、溶液中泡沫导致固化后孔洞的产生、颗粒的反射使得激光吸收能量变低因而需要更长的照射时间等问题。 复合材料3D打印技术进展 热塑性树脂具有加热变软、冷却固化的工艺特性，易于实现增材制造，在3D打印市场以热塑性塑料为主，同样，在复合材料3D打印技术中，以热塑性树脂为基体的复合材料相对也是主要的研究对象，增强材料有短切纤维和连续纤维。 德国、美国等3D打印公司及我国华曙高科等分别研制了可用于SLS技术的短切纤维/热塑性树脂复合材料粉末并实现商业化。 美国MarkForged公司2014年初研发了连续碳纤维增强热塑性复合材料3D打印设备MarkOne，打印出了碳纤维增强尼龙复合材料。打印机具有两个喷头，一个喷头输送热塑性树脂（尼龙或聚乳酸），一个喷头输送连续的预浸碳纤维丝或预浸玻璃纤维丝，预浸纤维丝涂有特别为打印机开发的热塑性树脂，两个喷头轮流工作，用基于FDM的工艺沿X/Y平面铺放树脂和预浸丝束，实现纤维和树脂的复合，纤维可以按需要取向或仅在需要的地方铺放。目前，该设备仅能实现X/Y方向纤维取向，尚不能实现Z向取向。MarkOne可打印尺寸为0.6m×0.4m×0.3m。 美国Stratasys公司和美国能源部（DOE）橡树岭国家试验室合作开发量产碳纤维复合材料FDM制造技术。合作分为3个阶段，第一阶段研究在FDM过程中如何放入碎纤维以及如何调整材料的各种机械性能，第二至第三阶段研究集中于在中心线上开工制造连续碳纤维复合材料以及进一步的处理。 哈佛大学研制了适用于3D打印的环氧树脂，实现了热固性树脂的3D打印。为改善树脂粘度，研究人员添加了纳米粘土、二甲基磷酸酯、碳化硅晶须和短切碳纤维，以咪唑基离子做固化剂，极大地拓展了树脂的打印窗口，使树脂在长达数周的打印窗口期内粘度不会显著增加。通过控制纤维长径比和喷嘴直径，使填料在剪切力和挤出流的作用下发生取向，实现了填料取向的控制，获得了取向的纤维。打印好的部件先在较低的温度下预固化，然后从基板上移出再进行进一步高温固化。 航天用树脂基复合材料3D打印技术分析 目前复合材料3D打印技术以短纤维/热塑性复合材料为主，材料和设备实现了商业化，而热固性基复合材料仅在试验室实现了短切纤维增强复合材料的3D打印。结合航天遥感器复合材料的产品特点，连续纤维增强热固性复合材料3D打印技术在打印材料、多维连续打印、预固化功能等方面亟待突破。 亟待突破的方面 1）开发适应性的打印材料。复合材料3D打印过程要求打印材料具有适当的粘度、流动性、长的操作时间、短的成型时间，因此需对现有航天复合材料材料体系进行适应性开发，对材料体系进行改进，以提供满足3D打印技术和航天应用要求的材料。 2）突破纤维多维连续打印。复合材料3D打印设备亟需突破在多维方向的连续堆积，如设置五轴/六轴联动打印平台通过转动平台实现多维连续打印，以满足航天复杂结构产品多个平面、多个部位的连续铺层要求。 3）实现预压实功能。热固性树脂基复合材料需在高温高压下实现树脂基体的固化和制件的致密化，可在打印一定层数后在设备内对坯体进行预压实和加热，提高打印中间过程的致密性，打印完成后再将坯体移至固化设备进行最终固化。 采用低成本技术是降低复合材料产品成本的有效途径之一，3D打印技术通过增加材料实现产品的制造，能够极大限度的发挥材料的利用率，降低复合材料生产成本。 此外，对于复杂结构复合材料产品，3D打印技术还可以减小对工装的依赖，缩短加工时间，同时还可以实现整体成型、减少装配时间，研究3D打印技术在航天复合材料的应用具有重大工程意义。对于航天遥感器所用的连续纤维增强热固性树脂复合材料，3D打印需解决打印材料、纤维多维连续打印、预固化功能等问题。
    227浏览量
    原文链接

  • 《基于3D打印水凝胶用于柔性传感及脑电信号的采集》
    • 来源专题：光电情报网信息监测服务平台
    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2021-01-12
    • 近年来，柔性电子在可穿戴设备、电子皮肤等众多应用中扮演着越来越重要的角色，以水凝胶为基质设计的柔性电子由于其良好的导电性、柔性以及生物相容性等特点受到广泛的关注，在柔性传感器、柔性能源器件及人机接口等方面表现出广阔的应用前景。面投影微立体光刻3D打印技术（PμSL）可快速制造并成型任意形状和定制设计的结构，为以水凝胶基质设计的柔性电子器件的制造提供了灵活性和简便性。结合3D打印技术，并对水凝胶进行诸如超抗冻、超拉伸、导电等性能设计，在一定程度上拓宽了水凝胶的功能和应用范围。 近日，湖南大学王兆龙助理教授、段辉高教授与上海交通大学郑平院士等人合作，该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S/P140，开发了一种能够耐受-115℃极高导电能力的水凝胶体系，实现了极低温条件下的可穿戴设备运动信号检测及脑电信号高精度采集。文章以“3D Printed Ultrastretchable, Hyper-Antifreezing Conductive Hydrogelfor Sensitive Motion and Electrophysiological Signal Monitoring”为题发表在Research（Volume 2020 |Article ID 1426078）上。其中，王兆龙助理教授及硕士研究生陈雷为共同一作。 基于面投影微立体光刻技术制造水凝胶结构，首先，作者通过计算机辅助设计（CAD）软件生成的3D模型按照特定层厚切片为一系列平行的二维数字图像，然后，这些切出来的2D图案被传输到DMD芯片上，DMD芯片通过2D图案的形状调节其上照射的紫外光（LED，405nm）。具有相应定义的2D图案的成形紫外光通过一个缩小透镜，该透镜将2D图像投影到具有缩小特征尺寸的水凝胶前体溶液上。图案化的紫外光照射将会使水凝胶前体溶液在相应区域发生局部聚合反应并成型附着在打印平台上。再控制降低打印平台，紫外光投影照射继续打印下一层。这个过程反复进行，直到整个水凝胶结构被制造出来（图1）。研究者引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，将不溶于水的TPO-L均匀分散在水中，提高光引发剂引发效率，结合光固化3D打印nanoArchS/P140设备的离型膜的快速离型，大大提高水凝胶的光固化速度；利用纳米羟基磷灰石与水凝胶高分子链之间形成强烈的物理作用，从而提高3D打印水凝胶的拉伸性（2500%），并进一步提高其机械强度；三元醇和高浓度离子盐的协同作用赋予了水凝胶极佳的导电性和抗冻性（-115℃左右），3D打印水凝胶在极低温情况下仍然能够完成拉伸、弯曲和扭转的动作，并具有一定的低温导电性（图2）。 图1 基于面投影微立体光刻技术的水凝胶加工过程 图2 水凝胶的力学、电学和抗冻性能设计 优异的机械性能和良好的导电性能使其3D打印水凝胶能够作为应变传感器用于识别包括手指弯曲、发声及吞咽等人体运动信号（图3）；水凝胶还可作为柔性电极检测和采集诸如人睁、闭眼时的脑/眼电信号（EEG/ EOG），当志愿者在闭上眼睛并放松时，脑电信号显示出明显的α波（8~13Hz），当志愿者睁开眼睛并积极思考时，脑电α波即刻消失并逐渐向β波（14~30Hz）方向移动。与当前最精确的传统脑电信号采集装置对比实验表明，新体系水凝胶可以准确采集大脑中的脑电信号，反映大脑活动的整体信息，显示出在人机交互，特别是低温领域的脑机接口等方面的应用潜力（图4）。 图3 柔性应变传感器应用 图4 水凝胶柔性电极脑机接口应用 总而言之，本研究基于面投影微立体光刻技术，引入亲水性的三元醇作为光引发剂TPO-L的良性溶剂，利用纳米羟基磷灰石提高拉伸性，并结合高浓度的离子盐和三元醇作为导电介质和抗冻剂，使得所开发的水凝胶体系具有优异机械、导电和抗冻性能，并且可作为柔性应变传感器实现对人体运动和微弱信号的实时监控，同时可进一步用作脑机接口，准确采集大脑中的脑电信号，包括α、β波以反映大脑活动的整体信息。本文提出的水凝胶在电子皮肤、人机交互甚至极低温情况下的可穿戴设备中具有良好的应用前景。未来，微尺度3D打印技术的加入使得复杂3D结构多功能柔性电子和复杂脑机接口的快速制造成为可能。
    89浏览量
    原文链接