機(jī)電設(shè)備具有雙重特性，將機(jī)械可移動(dòng)部件與電氣部件結(jié)合在一起。因此，當(dāng)協(xié)同使用不同的3D打印-增材制造技術(shù)時(shí)，就會(huì)誕生出不一樣的創(chuàng)新效果。在過去的幾年里，3D打印-增材制造已被研究為機(jī)電設(shè)備領(lǐng)域的一種有前途的生產(chǎn)方法。

一組研究人員最近在《增材制造》雜志上發(fā)表了一篇論文，證明了使用混合增材制造 (AM) 技術(shù)制造第一個(gè)3D打印壓電加速度計(jì)的可行性。

原文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S221486042200481X?via%3Dihub

3D打印電子結(jié)構(gòu)件
 基于新制造技術(shù)的創(chuàng)新

      根據(jù)百度百科，壓電式加速度傳感器又稱壓電加速度計(jì)。它也屬于慣性式傳感器。它是利用某些物質(zhì)如石英晶體的壓電效應(yīng)，在加速度計(jì)受振時(shí)，質(zhì)量塊加在壓電元件上的力也隨之變化。當(dāng)被測(cè)振動(dòng)頻率遠(yuǎn)低于加速度計(jì)的固有頻率時(shí)，則力的變化與被測(cè)加速度成正比。

論文中研究人員旨在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證第一個(gè)能夠通過增材制造技術(shù)完全制造的能夠讀取壓電信號(hào)的功能性加速度計(jì)。提出了 3D 打印和噴墨材料沉積的智能組合：通過光固化樹脂的立體光刻3D打印技術(shù)來制造加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)組件，而通過噴墨3D打印用于圖案化 P(VDF-TrFE) 壓電層和分配相應(yīng)的銀用于加速度讀數(shù)的電極。

所取得的結(jié)果表明，研究人員所提出的混合增材制造技術(shù)是一種非常有前景的中尺度機(jī)電傳感器制造途徑。

基于壓電聚合物的慣性傳感器的混合增材制造

© Gorodenkoff/Shutterstock.com

諸如加速度計(jì)之類的機(jī)電設(shè)備通常由具有機(jī)械可移動(dòng)部件的電氣部件組成。因此，當(dāng)各種3D打印-增材制造技術(shù)（例如立體光刻 (SLA) 和噴墨3D打印技術(shù) (IJP)）協(xié)同使用時(shí)，可促進(jìn)機(jī)電零件的創(chuàng)新。例如，3D打印的三軸或單軸加速度計(jì)所展示的靈敏度與最先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 加速度計(jì)相當(dāng)甚至是更好。

3D打印電子結(jié)構(gòu)件
 混合增材制造

      在這項(xiàng)研究中，研究人員結(jié)合了 SLA立體光刻3D打印技術(shù)和 IJP噴墨3D打印技術(shù)制造了壓電加速度計(jì)，還對(duì)制造的壓電加速度計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。SLA光固化3D打印工藝用于使用光固化THERMA DM500樹脂，從而打印單軸加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)組件；而IJP噴墨3D打印技術(shù)用于通過沉積聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）壓電層和相應(yīng)的導(dǎo)電銀電極來制造壓電讀出部分。之所以選擇 THERMA DM500 商用樹脂來打印加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)部件，是因?yàn)樗�具有高玻璃化轉(zhuǎn)變和熱降解溫度，考慮到高溫用于對(duì)功能性 P(VDF-TrFE) 層和銀電極進(jìn)行退火，這是必要的。電暈處理用于增加樹脂表面的親水性。 IJP噴墨3D打印技術(shù)是一種高效且可擴(kuò)展的沉積技術(shù)，被選擇用于功能層的沉積，因?yàn)樗�提供了一種成本低廉、簡便且可重復(fù)的圖案化技術(shù)來制造壓電材料和相應(yīng)的互連。研究人員還通過COMSOL Multiphysics軟件執(zhí)行有限元分析 (FEA)，以確認(rèn)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的可靠性。

所有結(jié)構(gòu)部件和樣品均使用DWS商用SLA機(jī)器（型號(hào) 028J Plus）進(jìn)行3D打印，而配備Fujifim富士膠片的 Dimatix DMP-2850 用于在基板上噴墨打印底部和頂部電極以及壓電聚合物。在 IJP噴墨打印期間，印版溫度設(shè)置為最大值 60 °C，以防止咖啡環(huán)效應(yīng)并確保更快的打印過程。

據(jù)悉，F(xiàn)ujifim富士膠片的Dimatix材料打印機(jī)(DMP)是一種用于微精度的臺(tái)式材料沉積系統(tǒng)，DMP2850可以用于研發(fā)用原型和實(shí)驗(yàn)圖案的打印，還可用于柔性電路、RFID標(biāo)簽和顯示器到DNA陣列和可穿戴電子產(chǎn)品的原型制作。

通過DMP2850設(shè)備，保持 1.5 kHz 噴射頻率、35 V 打印電壓和 45 °C 噴嘴溫度以打印壓電聚合物層。隨后，P(VDF-TrFE) 層在 140°C 下退火兩個(gè)小時(shí)。P(VDF-TrFE)層在退火和極化后表現(xiàn)出有效的壓電行為。

 驗(yàn)證創(chuàng)新可行性

在測(cè)試過程中，完全3D打印的加速度計(jì)與用于表征的參考加速度計(jì)一起安裝在振動(dòng)臺(tái)上。

基于壓電聚合物的慣性傳感器的混合增材制造

© Gorodenkoff/Shutterstock.com

      3D打印結(jié)構(gòu)的收縮主要在后固化過程 30 分鐘內(nèi)觀察到，后固化過程后的平均收縮率為 3.76%。此外，寬度較小的梁的收縮值較大。在幾何 A 加速度計(jì)中，觀察到從實(shí)驗(yàn)獲得的固有頻率值與外部加速度 5 g 和 1.8 g 的數(shù)值預(yù)測(cè)之間存在相當(dāng)大的差異，這歸因于材料特性和幾何形狀的不確定性。然而，通過模態(tài)分析估計(jì)的幾何 B 加速度計(jì)的固有頻率值與從實(shí)驗(yàn)中獲得的值非常一致，即使在考慮了制造缺陷和材料特性的不確定性之后也是如此。

總而言之，這項(xiàng)研究的結(jié)果有效地證明了3D 打印壓電加速度計(jì)感知加速度的能力，以及使用所提出的混合增材制造技術(shù)制造中尺度機(jī)電傳感器的可行性。

(責(zé)任編輯：admin)

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