46、3D 打印柔性应变传感器的研究与应用

3D 打印柔性应变传感器的研究与应用

1. 传感器研究背景与 FDM 技术原理

传感器作为能感知测量信息并转换为期望信号输出的设备，其研究正朝着轻量化、高柔性和快速响应的方向发展。在众多制造技术中，熔融沉积建模（FDM）增材制造技术脱颖而出，它能够高精度地处理传统加工方法难以制造的复杂结构。

FDM 3D 打印技术的原理是将热熔长丝加热熔化，然后根据预设轨迹通过喷嘴将长丝挤出到基板或上一层已成型的材料上，逐层堆叠形成所需部件。此外，FDM 还具备双喷嘴打印模式，可在一个过程中同时打印两种不同材料。利用这一特性，能使用非导电基板和高导电性材料分别打印传感器基板和传感结构，实现传感器传感结构的集成成型。

2. 嵌入式柔性传感器的设计与制造

• 材料准备 ：实验采用了热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）、通过混合 TPU 和炭黑（CB）制备的导电 CB/TPU 颗粒，以及碳纳米管（CNT）水性导电膏。根据导电填料理论，向纯 TPU 原料中添加适量 CB 可制成导电 TPU 颗粒。研究表明，当 CB 含量为 12%时，复合材料的导电性因形成导电网络而显著提高。使用桌面 ABS 拉丝挤出机，经过挤出、进料、冷却、牵引和卷绕五个步骤，将纯 TPU 原料和 CB 均匀混合，制成导电 TPU 丝。
• 传感器设计 ：为展示双喷嘴 FDM 打印柔性应变传感器的能力并比较不同结构设计的传感器性能，设计了五种不同形状的 CB/TPU 导电结构传感器，分别为长键形、阶梯形、平板形、24 面螺旋形和叶片形。其中，长键形、阶梯形、平板形、24 面螺旋形和叶片主体部分用纯 TPU 打印