传感弹性泡沫及其多通道同轴挤出的增材制造设备与方法
阅读说明：本技术 传感弹性泡沫及其多通道同轴挤出的增材制造设备与方法 (Additive manufacturing equipment and method for sensing elastic foam and multi-channel coaxial extrusion of sensing elastic foam ) 是由 刘禹 徐嘉文 张星浩 张阳 姜晶 于 2020-12-16 设计创作，主要内容包括：本发明涉及柔性电子技术及增材制造领域,尤其是涉及一种传感弹性泡沫及其多通道同轴挤出的增材制造设备与方法。本发明的传感弹性泡沫为弹性介电单元,由不少于3层的多孔网格堆叠形成,每层多孔网格由核-壳线条结构单元交织形成,所述核-壳线条结构单元包括弹性线条单元、传感单元和导线单元,其中所述传感单元和导线单元为核,弹性线条单元为壳。本发明采用多通道同轴挤出的增材制造设备制备传感弹性泡沫,通过在线调节打印参数达到切换打印不同线条模式的目的,从而完成传感弹性泡沫各个不同功能单元的连续制造。(The invention relates to the field of flexible electronic technology and additive manufacturing, in particular to additive manufacturing equipment and method for sensing elastic foam and multi-channel coaxial extrusion of the elastic foam. The sensing elastic foam is an elastic dielectric unit and is formed by stacking not less than 3 layers of porous grids, each layer of porous grids is formed by interweaving core-shell line structure units, each core-shell line structure unit comprises an elastic line unit, a sensing unit and a lead unit, the sensing unit and the lead unit are cores, and the elastic line unit is a shell. The invention adopts multi-channel coaxial extrusion additive manufacturing equipment to prepare the sensing elastic foam, and achieves the purpose of switching and printing different line modes by adjusting printing parameters on line, thereby completing the continuous manufacturing of different functional units of the sensing elastic foam.)
技术领域
本发明涉及柔性电子技术及增材制造领域，尤其是涉及一种传感弹性泡沫及其多通道同轴挤出的增材制造设备与方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，越来越多的电子产品转向柔性化和个性化定制，如可穿戴设备、柔性电路天线、微波电缆、电子皮肤等，这些电子产品不仅要求电子元件的正常运转，还要求电子元件可随着用户的需要进行弹性形变，也就需要其中的柔性传感器，既有传感功能，也具有弹性形变，这样的需求无疑对传统制造产生巨大挑战。现有柔性传感器的相关研究制造，是通过铸模的方式将导电材料嵌入到弹性材料中并进行封装成型。但是现有柔性传感器的相关研究制造存在以下局限性：（1）现有的柔性传感器采用传统铸模方式制造，需要事先制造模具，生产成本很高，并且如果根据不同的需要进行不同的工艺调整，还要根据需要进行模具的更换，造成人力、时间和成本的大量浪费；（2）现有的柔性传感器由于上述因素，难以满足用户越来越多的个性化定制要求。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种传感弹性泡沫及其多通道同轴挤出的增材制造设备与方法。本发明传感弹性泡沫的多通道同轴挤出的增材制造设备及方法克服了传统掩模、分层制造方式存在的问题，具有成型速度快、适用材料广、过程不间断，定制化程度高等诸多优点，整体节约人力、时间和生产成本。
为解决现有技术的不足，本发明采用以下技术方案：一种传感弹性泡沫，所述传感弹性泡沫为弹性介电单元，由不少于3层的多孔网格堆叠形成，每层多孔网格由核-壳线条结构单元交织形成，所述核-壳线条结构单元包括弹性线条单元、传感单元和导线单元，其中所述传感单元和导线单元为核，弹性线条单元为壳。
进一步地，所述弹性线条单元的线宽为500-2000微米，壁厚为100-2000微米；所述传感单元的线宽为10-1500微米，所述导线单元的线宽为10-1500微米。
进一步地，所述多孔网格的图案类型为纵横交错型、三角形或六边形中的一种。
一种多通道同轴挤出的增材制造设备，包括空压机、气路分线头、电子气压阀、连接气管、装载料筒、多通道同轴喷头、XYZ运动模组、夹具及机身，所述机身上设置有XYZ运动模组，装载料筒通过夹具固定在机身上，空压机通过气路分线头及连接气管与装载料筒及多通道同轴喷头连接，所述气路分线头与装载料筒之间设置有电子气压阀，用于控制不同模式线条的挤出，所述多通道同轴喷头位于Y运动模组的正上方。
进一步地，所述多通道同轴喷头包括第一通道、第二通道和第三通道，三个通道在同轴喷头内部，互不联通，并在喷头末端汇聚，成高度差，其中第三通道包络第二通道，第二通道包络第一通道，喷头总体尺寸为0.6-1.5 mm。
进一步地，所述装载料筒包括传感材料筒、导线材料筒和弹性材料筒，其中所述传感材料筒与第一通道连接，传感材料从第一通道挤出；
所述导线材料筒与第二通道连接，导线材料从第二通道挤出；
所述弹性材料筒与第三通道连接，弹性材料从第三通道挤出。
进一步地，所述传感材料包含碳基导电液、碳基导电膏、导电聚合物水凝胶、导电离子凝胶中的一种或多种，传感材料的导电率为102~105 S/m，适用黏度为102~106 cps；
导线材料包含导电离子液、导电聚合物溶液、镓铟锡合金的一种或多种，导线材料的导电率为105~107 S/m，黏度为1~103 cps；
弹性材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、热塑性橡胶、热塑性树脂中的一种或多种，适用黏度为105~109 cps。
进一步地，所述的多通道同轴挤出的增材制造设备进行线条模式变换及调节方法，所述线条模式变换及调节方法主要通过切换各自通道的气压开关的开合，从而实现几种不同模式线条的挤出：
①第三通道开，第一通道开，第二通道关，挤出形成传感单元；
②第三通道开，第一通道关，第二通道开，挤出形成导线单元；
③第三通道开，第一通道关，第二通道关，挤出形成弹性线条单元；
各通道的气压范围为0-800 KPa，通过改变各通道的气压比例调节传感材料所占线宽的比例大小。
所述的传感弹性泡沫的制备方法，包括以下步骤：
a. 将多通道同轴喷头安装于Z运动模组末端的夹具上；
b. 在装载料筒中对应装入弹性材料、导线材料和传感材料，并通过通过连接气管与分路分线头与电子气压阀、空压机连接；
c. 通过控制系统生成打印路径，设定连续增材制造设备的打印速度为0.1 -50mm/s，设定三种线条模式的挤出参数，
①弹性单元：设定第一通道的气压为0 kPa，第二通道的气压为0 kPa，第三通道的气压为600-800 kPa；
②传感单元：设定第一通道的气压为0 kPa，第二通道的气压为350-400 kPa，第三通道的气压为600-800 kPa；
③导线单元：设定第一通道的气压为300-500 kPa，第二通道的气压为0 kPa，第三通道的气压为600-900 kPa；
d. 将多通道同轴喷头调整到距离Y运动模组所在平面上方0.1-0.9 mm，调整高度为多通道同轴喷头内径的0.9倍；
e. 运动控制技术与挤出系统控制协同工作，设置打印路径与对应线条模式，利用壳层弹性材料高储能模量的特性完成自支撑，同时内部挤出导线材料或/和传感材料；
f. 打印出网格结构之后，放置到温度要大于80℃的高温环境下将其完全固化，节点处由于在未固化时便已连接，在固化后可形成良好交联，内部材料被约束于线体内层形成同轴弹性线体结构，从而构筑弹性泡沫网格；
g. 在步骤f得到的弹性泡沫网格上插入外界铜导线与导线材料接触，作为引出导线，再利用光固化硅胶封装成形，得到具有弹性的电容传感网格结构。
进一步地，针对不同材料的固化情况，选择性地配置包括热固化加热板和加热光源在内的辅助固化设备。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明避免了传统利用模具或者手动的繁琐生产工艺，能够满足不同用户对任意平面拓扑结构、几何尺寸等的要求，同时方法所生产的弹性泡沫具有成型好、连续程度高、过程不间断等诸多优点，节约人力、时间和生产成本。
本发明采用液体或者胶体的材料，由于液体的流动性或者胶体良好的弹性形变，可满足用其制造的泡沫具有弹性。当弹性材料选用硅橡胶时，由于硅橡胶具有良好的绝缘性和弹性形变能力，同时硅橡胶无毒无味、既耐高温又耐低温，具有良好的惰性，制备的弹性泡沫具有明显的优势。
本发明可以连续切换打印不同功能模式的线条，故可通过一次性连续打印成型具有力传感功能的弹性泡沫结构，具有集成化高，成型速度快等优点，且可以解决传感单元从弹性泡沫体内部导线引出的问题。
本发明可以根据需求，通过软件编程实现任意性和可调性；调控打印参数，即所述同轴喷头与打印基底的距离、所述同轴喷头的规格、预设路径和所述挤出系统的挤出气压，实现对所述弹性泡沫中的同轴线条内的所述导线材料、传感材料含量以及所述线条弹性材料的厚度调整，以及线条模式的切换。
多通道同轴喷头可以完成在一次打印过程中完成几种不同模式线条的沉积，相对于多喷头切换的模式在完成多材料沉积的基础上，省去了喷头切换步骤，首尾续打印的定位步骤，连续打印的线条具有更前的界面性能与更快的打印速度，并且可以在内芯材料可使用不具有自支撑的材料，扩充了可使用的材料体系。
附图说明
图1本发明实施例1中传感弹性泡沫的结构示意图。
图2 是图1中传感弹性泡沫中单根同轴线单元的结构示意图。
图3是本发明多通道增材制造设备的结构示意图。
图4是本发明多通道同轴喷头的结构示意图。
图5本发明实施例1中传感弹性泡沫打印过程的路径规划示意图。
图6本发明实施例2中传感弹性泡沫打印过程的路径规划示意图。
附图标记说明：1-空压机；2-气路分线头；3-电子气压阀；4-连接气管；5-装载料筒；6-多通道同轴喷头；7-XYZ运动模组；8-夹具；9-机身；10-传感弹性泡沫；101-弹性线条单元；102-传感单元；103-导线单元；51-传感材料筒；52-导线材料筒；53-弹性材料筒；61-第一通道；62-第二通道；63-第三通道；71-X运动模组；72- Y运动模组；73- Z运动模组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1和2所示，一种传感弹性泡沫，所述传感弹性泡沫10为弹性介电单元，由不少于3层的多孔网格堆叠形成，每层多孔网格由核-壳线条结构单元交织形成，所述核-壳线条结构单元包括弹性线条单元101、传感单元102和导线单元103，其中所述传感单元102和导线单元103为核，弹性线条单元101为壳，传感单元102在受力形变、受热或其他外界刺激下后电阻、电容或电感发生明显变化，而导线单元103的电阻及其变化较传感单元102小，故该弹性泡沫可实现传感功能。
所述弹性线条单元101的线宽为1100微米，壁厚为1100微米；所述传感单元102的线宽为1100微米，壁厚为300微米，内芯内径为500微米，所述导线单元103的线宽为1100微米，壁厚为400微米，内芯内径为300微米。
如图3所示，一种多通道同轴挤出的增材制造设备，包括空压机1、气路分线头2、电子气压阀3、连接气管4、装载料筒5、多通道同轴喷头6、XYZ运动模组7、夹具8及机身9，所述机身9上设置有XYZ运动模组7，装载料筒5通过夹具8固定在机身9上，空压机1通过气路分线头2及连接气管4与装载料筒5及多通道同轴喷头6连接，所述气路分线头2与装载料筒5之间设置有电子气压阀3，用于控制不同模式线条的挤出，所述多通道同轴喷头6位于Y运动模组71的正上方。
如图4所示，所述多通道同轴喷头6包括第一通道61、第二通道62和第三通道63，三个通道在同轴喷头内部，互不联通，并在喷头末端汇聚，成高度差，其中第三通道3包络第二通道2，第二通道2包络第一通道1，喷头末端尺寸为1.1 mm。
所述装载料筒5包括传感材料筒51、导线材料筒52和弹性材料筒53，其中所述传感材料筒51与第一通道61连接，传感材料从第一通道61挤出；
所述导线材料筒52与第二通道62连接，导线材料从第二通道62挤出；
所述弹性材料筒53与第三通道63连接，弹性材料从第三通道3挤出。
所述传感材料为导电碳浆，其导电率为4*104 S/m，黏度为106 cps；
所述导线材料为导电聚合物溶液，其导电率为105 S/m，黏度为103 cps；
所述弹性材料为聚二甲基硅氧烷，其黏度为5*106 cps。
所述的传感弹性泡沫的制备方法，在中间层嵌入三根不同位置的压力传感线条单元，包括以下步骤：
a. 在与第一通道61连接的传感材料筒51中装入导电碳浆，在与第二通道62连接的导线材料筒52中装入导电聚合物溶液，在与第三通道63连接的弹性材料筒53中装入聚二甲基硅氧烷硅橡胶；
b. 通过连接气管4将装载料筒5与分路分线头2与电子气压阀3、空压机1连接；所述喷头的各通道末端内外径不同，其中第一通道61末端的内径为0.21 mm，外径为0.4 mm；第二通道62末端的内径为0.3 mm，外径为0.45 mm；第三通道63末端的内径为0.5 mm，外径为0.6 mm；三喷头呈楔形排布。
c. 通过控制系统生成打印路径，设定连续增材制造设备的打印速度为15 mm/s，设定三种线条模式的挤出参数：
①弹性单元：设定第一通道61的气压为0 kPa，第二通道62的气压为0 kPa，第三通道63的气压为700 kPa；
②传感单元：设定第一通道61的气压为0 kPa，第二通道62的气压为375 kPa，第三通道63的气压为650 kPa；
③导线单元：设定第一通道61的气压为500 kPa，第二通道62的气压为0 kPa，第三通道63的气压为700 kPa；
将多通道同轴喷头6调整到距离Y运动模组71所在平面上方0.9 mm；
初始时，以上述弹性单元的对应气压进行打印，待沉积到中层需要放置压力传感单元线条的位置时，以上述传感单元的对应气压进行打印，并在完成指定长度的传感单元后，以上述导线单元的对应气压进行打印引出到泡沫末端，打印路径如图5所示，可逐层堆积成为网格形状；
d. 放置完成好的样品到烘箱，保持80℃温度进行固化，持续3小时，使步骤c所得传感弹性泡沫固化成型，得到尺寸为30*30*10 mm的传感弹性泡沫，其中每根同轴线条宽度约为0.7 mm。
e. 将步骤d所得传感弹性泡沫，并为每根同轴线条两端插入直径为0.1 mm的铜丝（没入同轴线条的长度为3-5 mm），再用UV光固化胶注射到同轴线条两端并随后进行光固化，引出测试导线。
针对不同材料的固化情况，选择性地配置包括热固化加热板和加热光源在内的辅助固化设备，在打印过程中加热固化包覆材料以获得更好的包覆效果。
最后制成如图1所示的传感弹性泡沫，利用Keysight公司的LCR表测量嵌入于弹性泡沫内部的传感材料电阻，其值约为1.5*106Ω，在泡沫受到压缩后电阻为6*108Ω。
实施例2
一种传感弹性泡沫，所述传感弹性泡沫10为弹性介电单元，由不少于3层的多孔网格堆叠形成，每层多孔网格由核-壳线条结构单元交织形成，所述核-壳线条结构单元包括弹性线条单元101、传感单元102和导线单元103，其中所述传感单元102和导线单元103为核，弹性线条单元101为壳，传感单元102在受力形变、受热或其他外界刺激下后电阻、电容或电感发生明显变化，而导线单元103的电阻及其变化较传感单元102小，故该弹性泡沫可实现传感功能。
所述弹性线条单元101的线宽为1200微米，壁厚为1200微米；所述传感单元102的线宽为1200微米，壁厚为300微米，内芯内径为600微米，所述导线单元103的线宽为1200微米，壁厚为450微米，内芯内径为300微米。
如图3所示，一种多通道同轴挤出的增材制造设备，包括空压机1、气路分线头2、电子气压阀3、连接气管4、装载料筒5、多通道同轴喷头6、XYZ运动模组7、夹具8及机身9，所述机身9上设置有XYZ运动模组7，装载料筒5通过夹具8固定在机身9上，空压机1通过气路分线头2及连接气管4与装载料筒5及多通道同轴喷头6连接，所述气路分线头2与装载料筒5之间设置有电子气压阀3，用于控制不同模式线条的挤出，所述多通道同轴喷头6位于Y运动模组71的正上方。
如图4所示，所述多通道同轴喷头6包括第一通道61、第二通道62和第三通道63，三个通道在同轴喷头内部，互不联通，并在喷头末端汇聚，成高度差，其中第三通道3包络第二通道2，第二通道2包络第一通道1，喷头总体尺寸为1.1 mm。
所述装载料筒5包括传感材料筒51、导线材料筒52和弹性材料筒53，其中所述传感材料筒51与第一通道61连接，传感材料从第一通道61挤出；
所述导线材料筒52与第二通道62连接，导线材料从第二通道62挤出；
所述弹性材料筒53与第三通道63连接，弹性材料从第三通道3挤出。
所述传感材料包含石墨烯硅胶，其导电率为2*103 S/m，黏度为4*105 cps；
所述导线材料包含离子导电液，其导电率为3.3*104 S/m，黏度为103 cps；
所述弹性材料为热固性聚氨酯，其黏度为2*108 cps。
所述的传感弹性泡沫的制备方法，在中间层嵌入三根不同位置的温度传感线条单元，包括以下步骤：
a. 在与第一通道61连接的传感材料筒51中装入温度传感材料石墨烯硅胶，在与第二通道62连接的导线材料筒52中装入液态镓铟锡合金、与第三通道63连接的弹性材料筒53中装入聚氨酯；
b. 通过连接气管4将装载料筒5与分路分线头2与电子气压阀3、空压机1连接；所述喷头的各通道末端内外径不同，其中第一通道61末端内径为0.4 mm，外径为0.6 mm；第二通道62末端内径为0.6 mm，外径为0.7 mm；第三通道63末端内径为0.7 mm，外径为1 mm；
c. 通过控制系统生成打印路径，设定增材制造设备的打印速度为50 mm/s，设定三种线条模式的挤出参数：
①弹性单元：设定第一通道61的气压为0 kPa，第二通道62的气压为0 kPa，第三通道63的气压为800 kPa；
②传感单元：设定第一通道61的气压为0 kPa，第二通道62的气压为400 kPa，第三通道63的气压为800 kPa；
③导线单元：设定第一通道61的气压为500 kPa，第二通道62的气压为0 kPa，第三通道63的气压为800 kPa；
将多通道同轴喷头6调整到距离Y运动模组71所在平面上方0.45 mm，调整高度为多通道同轴喷头6内径的0.9倍；
初始时，以上述弹性单元的对应气压进行打印，待沉积到中层需要放置温度传感单元线条的位置时，以上述传感单元的对应气压进行打印，并在完成指定长度的传感单元后，以上述导线单元的对应气压进行打印引出到泡沫末端，打印路径如图6所示，可逐层堆积成为网格形状；
d. 将完成好的样品放置到烘箱，保持80℃温度进行固化，持续3小时，使步骤c所得传感弹性泡沫固化成型，得到具有温度传感的弹性泡沫，其中每根同轴线条宽度约为1.2mm。
e. 将步骤d所得传感弹性泡沫，并为每根同轴线条两端插入直径为0.1 mm的铜丝（没入同轴线条的长度为3-5 mm），再用UV光固化胶注射到同轴线条两端并随后进行光固化，引出测试导线。
针对不同材料的固化情况，选择性地配置包括热固化加热板和加热光源在内的辅助固化设备，在打印过程中加热固化包覆材料以获得更好的包覆效果。
最后制成温度传感弹性泡沫，利用Keysight公司的LCR表测量嵌入于弹性泡沫内部的石墨烯硅胶电阻，常温25℃其值约为3*106Ω，在周围温度为0℃左右时电阻为3.42*106Ω。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
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