普渡大學開發(fā)出新型3D打印方法，可制造各種形狀的壓電材料

2023年4月22日，南極熊獲悉，普渡大學研究人員開發(fā)了一種名為“新型電極化輔助增材制造(EPAM)”的方法，用于制造具有壓電特性的聚偏二氟乙烯(PVDF)組件。該技術未來可用于制造微電子設備、柔性傳感器和其它應用領域。

△新型電極化輔助增材制造(EPAM)技術

電極化輔助增材制造技術

普渡大學研究人員使用壓電極化技術和3D打印技術相結合，成功制造出可重復壓電性能的復合材料。這種材料能夠?qū)�機械能轉(zhuǎn)化為電能，并利用晶體反向反應實現(xiàn)此過程。

△Arkema Fluor X Kynar PVDF 3D打印長絲材料

該團隊使用Arkema Fluor X Kynar PVDF長絲材料，在MarkerBot Replicator 2上進行實驗。在后續(xù)測試中，他們將其與直接墨水書寫(DIW)相結合，制作了簡單的電路。該項目得到了NSF的撥款支持，是更廣泛的RoseHub研究的一部分，旨在為健康和工業(yè)過程創(chuàng)造新的傳感器。

這項技術的應用可以使3D打印的構件具有更多的功能和應用，例如可以用于傳感器、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域。普渡大學的研究團隊認為，他們的研究為制造更加智能的3D打印產(chǎn)品打下了基礎。

△目前該研究已發(fā)表 在《增材制造》雜志上，題目為“使用電極化輔助的3D打印制造技術制備壓電活性聚偏氟乙烯薄膜：邁向全三維打印的功能化材料”（傳送門）

使用3D打印技術制造壓電元件的新方法

普渡大學與明尼蘇達大學、丹佛大學和北卡羅來納大學夏洛特分校合作參與了人類福祉機器人和傳感器計劃，后者開展了較早的工作。主要想法是使用低成本工藝制造各種形狀的壓力傳感器。該項目由普渡大學工程技術學院助理教授Robert Nawrocki領導。

Robert Nawrocki表示，EPAM工藝是一種將聚偏二氟乙烯(PVDF)的材料擠壓與電極化輔助相結合的制造方法。在這個過程中，拉伸熔化的PVdF棒會重新排列薄膜平面中的非晶質(zhì)線，并且施加的電場會將偶極子對準相同的方向，這有助于誘導形成主要負責壓電響應的β相。EPAM工藝可以打印自由形式的PVdF結構，這擴大了設計自由度，以制造具有更多不同幾何形狀的壓電元件。

此外，使用EPAM工藝打印的PVdF薄膜平均壓電活性為47.76 pC/N，比未極化的3D打印薄膜高約五倍，為9.0 pC/N。這表明，未極化的3D打印PVdF薄膜的壓電活性表現(xiàn)較弱，而在EPAM工藝中，電場的施加有助于提高壓電活性，從而增強了其壓電響應。

瞄準智能化穿戴技術

這項工作目前還處于開發(fā)原型階段，更多的是針對技術的探索和嘗試，而不是實際的商業(yè)生產(chǎn)。雖然這項技術的商業(yè)化前景尚不清楚，但其應用領域是可穿戴設備和物聯(lián)網(wǎng)等領域。此外，文章還提到之前已經(jīng)有關于3D打印傳感器的研究，包括用于可穿戴設備的材料擠壓傳感器和ABS材料擠壓傳感器等。

該團隊在另一篇論文中提到，他們的應用程序包括“大型傳感陣列，在可穿戴電子設備和軟體機器人中集成溫度、壓力和濕度傳感功能”，以及“用于軟體機器人的傳感設備、驅(qū)動系統(tǒng)，以實現(xiàn)與原型相似甚至更好性能的多功能，在自然界中找到更廣泛的應用�！边@項技術有著巨大的潛力，如果最終部件的性能得到進一步提高，我們可能會看到定制的可穿戴設備和漂亮的軟體機器人采用3D打印傳感器。