西安交通大学の田暁勇教授のチーム：連続繊維牽引構造に基づく伸縮性ひずみセンサーの3Dプリント

西安交通大学の田暁勇教授のチーム：連続繊維牽引構造に基づく伸縮性ひずみセンサーの3Dプリント
出典: 中国機械工学ジャーナル

引用論文

Wanquan Yan、Xiaoyong Tian、​​Daokang Zhang、Yanli Zhou、Qingrui Wang。連続繊維強化オーセチック構造に基づく伸縮性ひずみセンサーの3Dプリント。中国機械工学ジャーナル：付加製造の最前線、2023、2（2）：100073。

https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100073.

https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2772665723000120

1 研究状況

伸縮性ひずみセンサーの需要は高まっていますが、従来の製造プロセスでは、複雑な構造設計と低コスト、低エネルギーの開発要件を徐々にサポートできなくなっています。また、ポアソン収縮の制約により、センサーの感知性能を効果的に向上させることも困難です。引張拡張構造によってポアソン収縮を抑制することは、圧電抵抗型フレキシブルひずみセンサーの感度性能を大幅に向上できる方法ですが、製造においてはより厳しい課題に直面することになります。さらに、柔軟なセンシング複合材料の不安定性と弾性マトリックス材料のヒステリシスにより、正確な変形検出と制御への適用には依然として一定の困難が残っています。


図1 (a) オーセチック構造センサの製造工程、(b) オーセチック構造を印刷するためのバレルの断面図

2 研究上の困難またはボトルネック

（１）マルチマテリアルインク直接書き込み印刷装置の開発と合理的な準備プロセス設計により、引張構造センサー用の高度に統合された低コストで効率的な3D印刷準備プロセスが実現される。

（２）引張構造材料の最適化。使用される材料は、弾性基板のポアソン収縮を効果的に抑制し、さらには膨張効果を生み出すのに十分な機械的特性を備えている必要があります。また、繰り返し使用しても構造上の損傷や耐久性の低下を回避するために、十分な柔軟性を維持する必要があります。

（３）センサーヒステリシスにより構造物の変形を正確に制御することが依然として困難であり、より精密な制御アルゴリズムが必要である。


図2 (a) 作製したファイバー-PDMSオーセティックセンサー、フィルムセンサー、およびPTFE-PDMSオーセティックセンサー。(b) センサーの伸張プロセス。(c) オーセティック構造材料の機械的特性。(d) フィルムセンサーとオーセティックセンサーの横方向ひずみ。(e) フィルムセンサーとオーセティックセンサーの20%ひずみにおけるポアソン比

3 展望（開発動向）

伸縮性ひずみセンサーの需要は高まり、性能要件はより厳しくなります。従来のセンサー準備プロセスでは、複雑な構造設計と低コスト、低エネルギーの開発ニーズをサポートできません。3D 印刷技術は、それらのさらなる開発を促進します。 3D プリント技術は、センサー構造設計の柔軟性を大幅に向上させるだけでなく、センサーの効率的な統合製造も実現します。引張構造は弾性材料のポアソン収縮を抑制することができ、伸縮性センサーの感度を向上させる効果的なソリューションの 1 つとなり、大きく発展するでしょう。伸縮性センサーにはある程度の不安定性とヒステリシスがあるため、変形可能な航空機や展開可能なアンテナなどの大変形構造における精密な制御アプリケーションを実現するには、将来的にはより精密な信号処理方法と制御ロジックが求められることになります。

チームリーダー紹介


田暁勇氏は西安交通大学の教授であり、博士課程の指導者です。ドイツのクラウスタール工科大学を卒業し、工学の博士号を取得しています。研究方向: 複合材料の付加製造。これまでに70本以上の論文を発表し、30件の発明特許を取得。特許の認可と実施を通じて、連続繊維強化複合材料3Dプリントプロセス装置の産業化と推進を実現しました。彼は西安交通大学の若手優秀人材支援プログラムに選ばれ、「王寛成若手学者」や「陝西省若手科学技術スター」などの称号を授与されました。彼は、ジャーナル「Progress in Additive Manufacturing」（Springer）の副編集長、およびジャーナル「Proceedings of the Chinese Society of Mechanical Engineering: Frontiers of Additive Manufacturing」（英語）の副編集長を務めています。

チーム研究の方向性

1) 多材料粉末床融合インテリジェントプロセスと設備の主要技術：粉末床温度のリアルタイム監視とインテリジェント制御。
主要技術2：機能主導型材料とプロセス統合製造プロセス最適化技術
主要技術3：高性能ポリマー複合材料、多孔質セラミック成形、革新的なアプリケーションの探求。
2）高性能連続繊維強化熱可塑性複合材料の3Dプリントの主要技術1：高性能連続繊維強化熱可塑性複合材料の3Dプリント。
主要技術 2: 産業用ロボットをベースにした多自由度を持つ複雑な複合部品の 3D プリント。
主要技術3：複合材航空機の3Dプリントや宇宙での3Dプリントなど、革新的な応用の探求。
3) 多機能統合インテリジェント複合材料構造の3Dプリントのための主要技術：電磁気制御のための多機能統合構造の革新的な設計と3Dプリント。
主要技術 2: センシングとアクチュエーションを統合したインテリジェント構造の 4D プリント。

入学と募集

修士課程と専攻
- 機械工学（080200）（学位）
● 53 高性能 3D 印刷技術とエンジニアリング アプリケーション ● 55 複合材料の成形と 3D 印刷による製造 ● 56 機能的/インテリジェントな複合材料の設計と製造
- 機械工学（085201）（専門学位）
● 04 積層造形（3Dプリンティング）技術

博士課程入学専攻と進路
- 機械工学（080200）
● 48 複合材料成形と3Dプリント製造 ● 49 機能的/インテリジェント複合材料の設計と製造 ● 88 高性能3Dプリント技術とエンジニアリングアプリケーション ● 89 インテリジェント構造4Dプリント

チームが最近公開した記事

[1] Zia A、Tian X、Liu T、et al. 3Dプリント連続カーボン/ケブラーハイブリッド糸強化PLA複合材料の機械的およびエネルギー吸収挙動。COMPOSITE STRUCTURES. 2023; 303: 116386。

[2] Liu T、Zhang M、Kang Y、他「真空環境でのポリエーテルエーテルケトンの材料押し出し3Dプリント：熱放散メカニズムと性能」Additive Manufacturing。2023年。

[3] Huang Y、Tian X、Zheng Z、et al. 最適化された繊維軌道とトポロジカル構造を備えた連続繊維強化熱可塑性複合材料のマルチスケール同時設計と3Dプリント。COMPOSITE STRUCTURES。2022; 285: 115241。

[4] Zhong Q、Tian X、Huang X、et al。その場検出とパラメータ同定によるマルチレーザー粉末床溶融結合の高精度校正。ADVANCES IN MANUFACTURING。2022; 10(4): 556-570。

[5] Huo C、Tian X、Nan Y、et al. エチレングリコールのワンポット合成のための階層的多孔質モノリスTS-1触媒の3Dプリント。化学工学ジャーナル。2022; 450: 138259。

[6] Malakhov A、Tian X、Zheng Z、et al。繊維の配向と体積分率を制御した生体模倣可変剛性複合材料の3次元印刷。COMPOSITE STRUCTURES。2022; 299: 116091。

[7] Yan M、Tian X、Yao R. 高強度複合材料の粉末床溶融結合におけるCF/PEEK混合物の加工性と再利用性。COMPOSITES COMMUNICATIONS。2022; 35: 101318。

[8] Qin Y, Ge G, Yun J, et al. 3Dプリンティング用途向けCF/PEEKプリプレグフィラメントの含浸挙動と界面結合の強化。JOURNAL OF MATERIALS RESEARCH AND TECHNOLOGY-JMR&T。2022; 20: 4608-4623。

[9] Xing X、Cao Y、Tian X、et al. 能動的に制御される広帯域吸収体としての熱可変メタマテリアル。エンジニアリング。2022年。




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