一體化3D打印傳感器，低成本革新柔性傳感與工業(yè)監(jiān)測

來源：復合材料力學

工業(yè)4.0時代，機器需要更聰明的“感官”——但傳統(tǒng)傳感器成本高、生產(chǎn)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(shù)小時量產(chǎn)、單層結(jié)構(gòu)直接感知應變、應力、溫度！從機械臂實時精準操控，到復雜環(huán)境下的設備健康監(jiān)測，它像給工業(yè)機器裝上“感知神經(jīng)”，讓生產(chǎn)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(chuàng)新方法：基于連續(xù)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(jié)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(fā)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(chǎn)率和集成方面仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。該研究介紹了一種利用連續(xù)碳纖維（CCF）和熔融沉積建模（FDM） 3D打印技術，結(jié)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(fā)的傳感器通過創(chuàng)新3D打印技術實現(xiàn)單層集成，摒棄了傳統(tǒng)工藝中復雜的化學合成與多層封裝步驟，生產(chǎn)速度高達2.9米/小時，較傳統(tǒng)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(xiàn)了寬域傳感能力與高環(huán)境適應性。通過星形超材料的路徑優(yōu)化設計，傳感器實現(xiàn)了各向同性結(jié)構(gòu)，在1000次拉伸循環(huán)后電阻波動小于3%，耐久性顯著超越傳統(tǒng)碳納米管/PDMS傳感器，為可穿戴設備與工業(yè)監(jiān)測提供了高穩(wěn)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(xiàn)“遠程操控+智能抓取”的集成場景應用。

圖2  本研究與傳統(tǒng)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(chuàng)新點如下：

（1）通過超材料結(jié)構(gòu)設計，賦予CCF/TPU傳感器對應變、應力及溫度的協(xié)同響應能力，首次實現(xiàn)單一材料多物理場同步檢測，為復雜環(huán)境監(jiān)測提供關鍵數(shù)據(jù)。

（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(jiān)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(xiàn)高集成度、低成本與快速制造，突破傳統(tǒng)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(tài)分析等維度的振動傳感特性，結(jié)合超材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢進一步優(yōu)化動態(tài)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(guī)律的研究，該技術有望在工業(yè)監(jiān)測、智能機器人觸覺反饋等領域拓展應用邊界，持續(xù)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(zhì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)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(fā)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(fā)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(fā)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?？茖W技術一等獎、陜西博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(chuàng)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(fā)科技委專業(yè)委員會委員，大飛機增材制造協(xié)同創(chuàng)新聯(lián)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(fā)計劃，國家自然科學基金，04重大專項，陜西省重點研發(fā)計劃。發(fā)表高水平學術論文120余篇，授權發(fā)明專利148項。

個人主頁：

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