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一體化3D打印傳感器,低成本革新柔性傳感與工業監測

時間:2025-05-15 09:24 來源:復合材料力學 作者:admin 閱讀:

      工業4.0時代,機器需要更聰明的“感官”——但傳統傳感器成本高、生產慢、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”復合材料快速打造一體化超材料傳感器:低成本材料、數小時量產、單層結構直接感知應變、應力、溫度!從機械臂實時精準操控,到復雜環境下的設備健康監測,它像給工業機器裝上“感知神經”,讓生產線自主適應復雜工況。告別多層堆疊和復雜工藝,這才是未來智能制造的“基礎設施”!
 


    近期,西安交通大學韓賓、張琦教授團隊提出一種創新方法:基于連續碳纖維(CCF)和熱塑性聚氨酯(TPU),通過熔融沉積建模3D打印技術結合星形超材料設計,成功制備高性能柔性多功能傳感器。相關成果以“3D printed continuous carbon fiber reinforced TPU metamaterials for flexible multifunctional sensors”為題發表于國際權威期刊《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、人機交互等領域具有巨大的應用潛力。然而,制造具有多種功能的柔性傳感器在成本、生產率和集成方面仍然是一項具有挑戰性的任務。該研究介紹了一種利用連續碳纖維(CCF)和熔融沉積建模(FDM) 3D打印技術,結合星形超材料設計,制作柔性多功能傳感器的新方法。

研究開發的傳感器通過創新3D打印技術實現單層集成,摒棄了傳統工藝中復雜的化學合成與多層封裝步驟,生產速度高達2.9米/小時,較傳統方法提升5倍。其核心功能涵蓋應變(0-180%)、應力(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%,展現了寬域傳感能力與高環境適應性。通過星形超材料的路徑優化設計,傳感器實現了各向同性結構,在1000次拉伸循環后電阻波動小于3%,耐久性顯著超越傳統碳納米管/PDMS傳感器,為可穿戴設備與工業監測提供了高穩定性的解決方案。最后通過將該工作的柔性傳感器應用于假手動作感知與操控,有望實現“遠程操控+智能抓取”的集成場景應用。

 

圖2  本研究與傳統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


研究的創新點如下:

(1)通過超材料結構設計,賦予CCF/TPU傳感器對應變、應力及溫度的協同響應能力,首次實現單一材料多物理場同步檢測,為復雜環境監測提供關鍵數據。

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

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

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、頻率及模態分析等維度的振動傳感特性,結合超材料的結構優勢進一步優化動態響應性能。通過深化對復合信號識別機制與振動能量傳遞規律的研究,該技術有望在工業監測、智能機器人觸覺反饋等領域拓展應用邊界,持續釋放其技術潛力與實用價值。

西安交通大學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研究生王一諾。合作者還包括西安交通大學張琦教授。

作者簡介:

 

韓賓,西安交通大學機械工程學院長聘副教授,博士生導師,Materials期刊編委、航天制造技術期刊青年編委。從事多功能輕質結構創新設計、先進增材制造技術、復合材料成形及焊接等領域的研究工作。主持承擔國家自然科學基金、科技部重點研發計劃課題、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等學術期刊發表中英文論文100余篇(SCI 90余篇),被引3800余次,H因子32;獲得授權發明專利40項、軟件著作權5項;榮獲陜西省科技進步一等獎、陜西高校科學技術一等獎、陜西博士后創新創業大賽銀獎、江蘇省力學學會科學技術特等獎等省部級獎勵4項。

個人主頁:


https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/hanbinghost

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

張琦,西安交通大學機械工程學院教授,博士生導師。陜西省三秦英才特殊支持計劃科技創新領軍人才,十四五“增材制造與激光制造”重點專項總體組專家,中國航發科技委專業委員會委員,大飛機增材制造協同創新聯盟理事,陜西省機械工程學會理事,機械工程學會塑性工程分會理事。國防科學技術進步二等獎及陜西省科技進步一等獎,主持JKW基礎加強項目,激光與增材制造重點研發計劃,國家自然科學基金,04重大專項,陜西省重點研發計劃。發表高水平學術論文120余篇,授權發明專利148項。

個人主頁:


https://gr.xjtu.edu.cn/web/henryzhang


 

(責任編輯:admin)

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