マルチマテリアル 3D プリントソフト圧力センサー

マルチマテリアル 3D プリントソフト圧力センサー
寄稿者: 孟子潔 何建康

従来の製造技術と比較して、積層造形技術の設計と製造の柔軟性により、伸縮性および柔軟性のあるセンサーの製造が簡単になり、伸縮性および柔軟性のあるセンサーの開発と広範な応用が促進されます。アクロン大学のジェウォン・チョイア教授らは複合材料の3Dプリントシステムを提案した。このシステムは 3 つのプリント ヘッドを備えており、伸縮可能なソフト圧力センサーの製造を可能にします。このセンサーは、カーボンナノチューブ (CNT) フレキシブル電極の間に挟まれ、伸縮可能な上部および下部の絶縁層に封入されたイオン液体 (IL) ベースの圧力感知層を使用しています。研究者らは、3Dプリント(押し出し直接書き込み)の要件を満たすようにセンサー材料を改良しました。その結果、3つの材料を使用した多層センサー構造を正常に印刷でき、良好な感知機能を維持できることが示されました。

これまで、センサーの伸縮性を実現するための一般的な戦略は、導電性フィラーを含む伸縮性ポリマーを機能コンポーネントとして使用することでした。カーボンナノチューブ (CNT) ベースの圧電抵抗センサーは、最も広く研究されているセンサーの 1 つですが、その信頼性と制御性には限界があります。最近、圧力センサーの分野では、新しい機能性材料としてのイオン液体 (IL) が、伸縮性センサーの研究に新たな道を開きました。 IL は、室温または室温付近で液体であり、高いイオン伝導性、不揮発性、不燃性、電気化学的安定性を備えたイオンで構成された物質です。 IL はさまざまなセンシング デバイスの製造に使用されていますが、一般的に製造と設計の柔軟性が不足しているため、その用途は非常に限られています。 Jae-Won Choia などの研究者は、プレポリマー マトリックスに IL を添加し、重合によって固体圧力感応フィルムを調製し、機械的応力によって変化する高抵抗の IL/ポリマー ネットワークを得ました。このシステムは、圧力センサーの感知要素として使用できます。この研究では、カーボンナノチューブ/ポリマー複合材料を導電性電極として使用し、図1に示すように伸縮可能な圧力センサーを設計しました。


図 1 4 タクセル センサーの設計: (a) センサーの 3D モデル、(b) センサーの側面図、(c) 各層の分解図 より広い領域での圧力分析が必要な場合や、加えられた圧力の位置を特定する必要がある場合は、マルチ タクセル センサーを使用できます。アレイ内の電極を構成することで、解像度と感度が異なるセンサーをカスタマイズできます。提案されたアイデアを検証するために、研究者らは図2(a)に示すように、マルチマテリアル印刷システムを使用して4タクセルセンサーを印刷しました。センサーは外部回路に接続され、4 つの分類群すべてから同時にデータを収集できるようになりました。タクセルに手動で外力を加え、その結果得られるセンサー応答出力を図 2(c) に示します。 ΔVout のピーク値は、右上のタクセルに力が加わって変形したときに現れます。


図2 4タクセルセンサー:(a) 3Dプリントで製造されたセンサー。 (b) タクセルユニットの1つに圧力を加える。(c) マルチタクセルのΔVout出力
この研究では、機能性材料を印刷できるマルチマテリアル 3D 印刷システムを開発しました。このシステムを使用して、IL ベースのソフト圧力センサーの 3D プリントを実現しました。このセンサーは、複雑な形状の自由曲面上に製造することができ、柔軟性と伸縮性により曲げ、屈曲、衝撃に耐性があり、3Dプリントソフトエレクトロニクスの分野での応用が促進され、ウェアラブルデバイス、スマートテクノロジー、ヒューマンマシンインターフェース、義肢などへの幅広い応用が期待されています。

参考文献:
Emon, MOF, et al., ソフト圧力センサーのマルチマテリアル 3D プリント。Additive Manufacturing、2019 年 28: p. 629-638。

寄稿者: 孟子潔 何建康 寄稿部署: 機械製造システム工学国家重点研究室

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