高性能でフレキシブルな曲げ可能なセンサーを3Dプリントし、構造設計と製造プロセスの協調制御を実現

はじめに: 付加製造 (AM) は、特定のアプリケーションに合わせてカスタマイズできる製造技術であるため、センサーに新たな可能性をもたらします。この特性は最近、ソフトロボットやウェアラブルデバイスなどのアプリケーションで活用されています。さまざまな付加製造技術は、印刷速度、精度、利用可能な材料の点で独自の利点を提供します。材料組成を変更することでセンサーの性能を向上させるための研究が数多く行われてきました。それにもかかわらず、センサーの形状がセンサー出力に与える影響の基本的な側面は十分に理解されていません。
2022年9月19日、Antarctic Bearは、ジャーナルAdditive Manufacturing Lettersに掲載された「導電性コンプライアンスメカニズム：3Dプリントフレキシブルセンサーの幾何学的調整」と題された最近の論文で、研究者らがフレキシブルセンサーの製造に積層製造（AM）を適用してセンサーの形状がセンサー出力に与える影響を評価し、フレキシブルセンサーの積層製造の微調整における幾何学的設計の考慮の重要性を強調したことを知りました。

関連論文リンク: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000573?via%3Dihub#fig0001
研究について
導電性ポリマー複合材 (CPC) は、大きなひずみを検出できるセンサーにとって魅力的な材料選択肢です。長いカーボンナノチューブ (CNT) は絡み合いが強いため、CNT ベースの化合物は一般に高ひずみ操作に適しています。 CPC センサーの製造に使用されるもう 1 つの物質は、導電性カーボンブラック (CCB) です。純粋なひずみ値は理解しやすいですが、いくつかの曲げセンサーアプリケーションでは、曲げ中に発生する圧縮応力と引張応力の組み合わせが関係する場合があります。これは純粋なひずみの観点からは簡単に理解できますが、梁の曲げ時に発生する引張応力と圧縮応力の組み合わせの観点からは理解が難しくなります。
本研究では、研究チームは変形測定領域が異なる3つのセンサーを製作し、それらをテストしてセンサー形状の影響を評価しました。彼らの目的は、設計プロセス全体を通じて曲げセンサーの形状をどのように強化できるかを実証することでした。 3 つのセンサーの比較は、センサーの抵抗を測定しながらセンサーに周期的に負荷をかけることができる実験テストセットアップで実行されました。
△本研究のグラフによる要約安定したフィラメントと十分な分散性を実現するために、導電性フィラメントの製造は 2 つの段階で行われます。押し出しプロセスが安定した後、フィラメントを準備する前に実行中の材料を廃棄しました。材料押し出し積層造形法 (MEX) を使用して、3 つの異なるセンサー設計を作成しました。ショートベンド設計とロングベンド設計では、それぞれ小さい曲げ領域と大きい曲げ領域で固定位置を中心に曲がります。すべてのセンサー設計は 3 個セットで製造されます。
△複合フィラメント製造工程特注試験装置を使用してセンサーの曲げ特性を検査します。各サンプルは2回テストされました。走査型電子顕微鏡 (SEM) を使用して、導電性ネットワークの微細構造を特徴付けました。顕微鏡検査の前に、フィラメントを極低温で破断し、センサー標本を極低温で微細加工しました。インピーダンス分光法は、振幅 0.5 V の電圧励起下で実行されました。
△センサーの設計とサイズ
結果分析<br /> センサーの断面に導電性ネットワークが観察されました。センサーの製造後、ネットワークは明らかな整合を示さなかった。結果として得られたインピーダンスの位相と大きさは、すべてのサンプルで同じ応答を示しました。応答は非常に平坦であることが特徴で、つまり、観測範囲全体にわたってフィラメントは典型的な抵抗器のように電気的に動作します。
△ (a) フィラメントの極低温破壊断面と (b) MEX で製造したセンサーの断面の SEM 画像。
3 つのセンサーは曲げセクションの長さが異なりますが、同じフットプリントで設計されているため、観察される違いは変形の集中度にあります。最大曲げ角度では、延長されたセンサー、短縮されたセンサー、および単純に曲げられたセンサーの抵抗の平均相対変化は、それぞれ 0.16%、4.30%、および 0.77% でした。これらは同様の材料で作られており、同じ程度の曲げを受けます。ただし、出力振幅はまったく異なります。
△フィラメントのインピーダンススペクトルは、曲げサイクル全体を通じて、曲げによって生成された引張歪みが短い曲げの導電ネットワークに支配的な影響を及ぼしていることを示しています。単純な曲げでは、曲げサイクルの半分で抵抗が増加および減少します。層の融合は MEX プロセスによるもので、印刷温度と速度によって調整できるため、センサーの信号をさらに変更する手段が可能になります。拡張フレックスセンサーを曲げるのに必要な力は、シンプルフレックスセンサーを曲げるのに必要な力の約 4 分の 1 です。一方、短いフレックスセンサーでは、単純なフレックスセンサーよりも 25 倍の曲げ力が必要でした。
△左側はテストセットアップの画像、右側は 3 つのセンサーとその曲げ動作の画像です。 △慣らし運転後の最初の12サイクルのチャート。 △未融合層を示すセンサー断面画像。矢印は曲げの際に潰れる可能性のある 2 つの空隙を示しています。 △ 3 つの設計のヒステリシスループと各複製センサーの比較。
結論要約すると、研究者らは曲げセンサーの応答が曲げられた部分の長さにどのように依存するかを判定しました。すべての設計は同じ程度の曲げにさらされましたが、信号出力は大幅に変化しました。短い曲げセンサーは、長い曲げセンサーよりも 27.7 倍優れたパフォーマンスを発揮し、単純な曲げセンサーは 5.6 倍優れたパフォーマンスを発揮しました。これらの結果は、曲げの集中度に応じて、内部の引張応力と圧縮応力がセンサーの信号に影響を与えることを示唆しています。
さらに、この研究は、センサーを組み合わせて準拠システムに統合するための新たな可能性を提供します。 MEX プロセスが回復時間や応答時間などの他のパフォーマンス特性に与える影響を調査することで、さらなる改善を実現できます。著者らによると、信号出力の直線性とセンサーの再現性を高めることは、センサーの形状による他の特性の影響を研究するための将来の開発にとって非常に重要になるという。

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