普渡大學(xué)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(xué)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(shù)未來可用于制造微電子設(shè)備、柔性傳感器和其它應(yīng)用領(lǐng)域。

△新型電極化輔助增材制造(EPAM)技術(shù)

電極化輔助增材制造技術(shù)

普渡大學(xué)研究人員使用壓電極化技術(shù)和3D打印技術(shù)相結(jié)合，成功制造出可重復(fù)壓電性能的復(fù)合材料。這種材料能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能，并利用晶體反向反應(yīng)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(jié)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(shù)的應(yīng)用可以使3D打印的構(gòu)件具有更多的功能和應(yīng)用，例如可以用于傳感器、能量收集和數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I(lǐng)域。普渡大學(xué)的研究團隊認(rèn)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(chǔ)。

△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(shù)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(shù)制造壓電元件的新方法

普渡大學(xué)與明尼蘇達大學(xué)、丹佛大學(xué)和北卡羅來納大學(xué)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(xué)工程技術(shù)學(xué)院助理教授Robert Nawrocki領(lǐng)導(dǎo)。

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(jié)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(zhǔn)相同的方向，這有助于誘導(dǎo)形成主要負(fù)責(zé)壓電響應(yīng)的β相。EPAM工藝可以打印自由形式的PVdF結(jié)構(gòu)，這擴大了設(shè)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(yīng)。

瞄準(zhǔn)智能化穿戴技術(shù)

這項工作目前還處于開發(fā)原型階段，更多的是針對技術(shù)的探索和嘗試，而不是實際的商業(yè)生產(chǎn)。雖然這項技術(shù)的商業(yè)化前景尚不清楚，但其應(yīng)用領(lǐng)域是可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。此外，文章還提到之前已經(jīng)有關(guān)于3D打印傳感器的研究，包括用于可穿戴設(shè)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(yīng)用程序包括“大型傳感陣列，在可穿戴電子設(shè)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(shè)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(yīng)用。”這項技術(shù)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(shè)備和漂亮的軟體機器人采用3D打印傳感器。