根据3D科学谷的市场观察，3D 打印复杂的多材料的能力有很多好处。除了减少劳动步骤外，这种增材制造 (AM)多材料的能力 还可以实现电子产品或复杂几何形状的大规模定制，从而提高设备的性能。例如，通过将智能手机电池和天线直接集成到其聚合物外壳中，手机可以变得更小、更轻，同时增加能量密度或通信范围。
近日，普渡大学的研究人员将3D打印和电极化结合到一个称为电极化辅助增材制造 (EPAM) 的工艺中。在3D打印过程中对齐 PVdf 长丝中的偶极子，从而更好地控制所施加的应力。
EPAM工艺
© 普渡大学
自定义形状和传感器属性
现在，智能医疗设备、智能机器人和其他带有智能传感器的产品的制造商可以使用正在申请专利的普渡大学开发的方法来简化他们的设备设计和制造，该方法将长丝的压电极化和3D打印结合在一个过程中。
传统的传感器材料具有压电特性，使其适合制造智能传感器。在一个方向上施加应力会在另一个方向上产生电压。尽管这些材料可以测量施加了多少应力，这是传感器的基本属性之一，但它们不能用于 3D 打印。
3D打印与传统制造相比具有多项优势，包括可以实现更复杂的结构与性状。3D科学谷了解到PVDF是目前压电性能最优的压电材料之一，作为一种新型薄膜状换能材料具有质地轻软、可绕性好、压电特性好等特点。然而，用于3D打印的聚偏二氟乙烯 (PVdf) 长丝不具有很强的压电特性。它的偶极子是随机定向的，产生的电压较小。因此，传统的 PVdf 长丝不能很好地指示应力，并且必须在后处理处理中进行电极化，这增加了制造过程需要花费的时间和成本。
3D打印传感器的技术逻辑
© 3D科学谷白皮书
普渡大学的研究人员将3D打印和电极化结合到一个称为电极化辅助增材制造 (EPAM) 的工艺中。它在3D打印过程中对齐PVdf 长丝中的偶极子，从而更好地指示所施加的应力。这使得3D打印的部件既具有强大的传感能力，又具有定制的形状。重要的是，可以节省制造过程需要花费的时间和金钱。
EPAM工艺同时完成了拉伸和极化，这是极化的必要条件。在 EPAM 工艺中，拉伸熔融的PVdF棒会重新排列薄膜平面中的无定形线，并且施加的电场会将偶极子对准同一方向。EPAM 工艺可以打印自由形式的 PVdF 结构并诱导形成主要负责压电响应的 β 相。
激发新的各种可能性
3D打印行业象一个播种了很多神奇种子的花园，有着各种可能性正在破土而出。3D打印在柔性智能电子设备和元器件的制造方面有着无可比拟的优势，关于这方面，3D科学谷已经提供了大量的案例可以用来参考。3D打印的跟踪设备/手镯在诸如医院以及其他场所正在展开应用。显然，这些“聪明”的设备在军事领域如在船舶、车辆、飞机区等区域用于监测各种结构是大有用途的。同时，这些技术的发展又会进入民用领域，未来可以看到健康中心和医院用这些传感器来造福于老年人在医疗环境中的关爱。
普渡大学所开发的电极化辅助增材制造 (EPAM) 的工艺基于FDM熔融挤出工艺。将 EPAM 方法商业化的下一步是构建一台可以打印完整传感器组件的3D打印机，包括带电的 PVdF、电极和结构。
不过要完整3D打印传感器还需要克服更多的挑战，不仅仅是打印工艺本身，数据处理是另外一种隐形的挑战，一般来说要进行3D打印的电子结构件零件越复杂，所生成的数据就越多。数据处理的进步进一步促进了3D打印电子产品中的应用。
根据3D科学谷的市场观察，电子结构件打印的数据处理难度几乎超出了想象，例如当你打印金属的时候，与打印绝缘材料（塑料）所需要的层厚是不同的，几乎打印十层金属的层厚才能达到打印一层塑料的层厚。如果让数据准确的”告诉“打印机区别不同材料的层厚，这本身就是一种挑战。
知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。
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