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技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术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。本专利技术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，本专利技术采用以下技术方案：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0.6-1.5mm。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102~105S/m，适用黏度为102~106cps；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105~107S/m，黏度为1~103cps；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105~109cps。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0-800KPa，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0kPa，第二通道的气压为0kPa，第三通道的气压为600-800kPa；②传感单元：设定第一通道的气压为0kPa，第二通道的气压为350-400kPa，第三通道的气压为600-800kPa；③导线单元：设定第一通道的气压为300-500kPa，第二通道的气压为0kPa，第三通道的气压为600-900kPa；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0.1-0.9mm，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，本专利技术具有以下优点：本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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。本专利技术可以根据需求，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本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感弹性泡沫，其特征在于，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。/n

【技术特征摘要】
1.一种传感弹性泡沫，其特征在于，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。


2.根据权利要求1所述的传感弹性泡沫，其特征在于，所述弹性线条单元（101）的线宽为500-2000微米，壁厚为100-2000微米；所述传感单元（102）的线宽为10-1500微米，所述导线单元（103）的线宽为10-1500微米。


3.根据权利要求1所述的传感弹性泡沫，其特征在于，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。


4.一种多通道同轴挤出的增材制造设备，其特征在于，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（72）的正上方。


5.根据权利要求4所述的多通道同轴挤出的增材制造设备，其特征在于，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0.6-1.5mm。


6.根据权利要求5所述的多通道同轴挤出的增材制造设备，其特征在于，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。


7.根据权利要求6所述的多通道同轴挤出的增材制造设备，其特征在于，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102~105S/m，黏度为102~106cps；
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105~107S/m，黏度为1~103cps；
弹性材料包括聚二甲...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘禹，徐嘉文，张星浩，张阳，姜晶，
申请(专利权)人：江南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32