离子凝胶材料的三维打印工艺

doi:10.3901/JME.2018.17.157

机械工程学报 ›› 2018, Vol. 54 ›› Issue (17): 157-164.doi: 10.3901/JME.2018.17.157

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离子凝胶材料的三维打印工艺

罗斌^1,2, 夏华翅^1,3, 陈花玲^1,2, 朱子才^1,2, 何西铭¹, 李涤尘^1,4

1. 西安交通大学机械工程学院西安 710049;
2. 西安交通大学机械强度与振动国家重点实验室西安 710049;
3. 一汽轿车股份有限公司长春 130012;
4. 西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安 710054

收稿日期:2017-11-19 修回日期:2018-02-11 出版日期:2018-09-05 发布日期:2018-09-05
通讯作者: 陈花玲(通信作者),女,1954年出生,博士,教授,博士研究生导师。主要研究方向为智能材料与结构控制,噪声与振动分析。E-mail:hlchen@mail.xjtu.edu.cn
作者简介:罗斌,男,1987年出生,博士研究生。主要研究方向为智能材料与结构3D打印技术,智能材料传感构筑与性能优化。E-mail:Lb19870911@126.com;夏华翅,男,1995年出生。主要研究方向为智能材料与结构。E-mail:xia_huachi@qq.com;朱子才,男,1984年出生,博士,副教授,硕士研究生导师。主要研究方向为智能材料的驱动/传感一体化。E-mail:zicaizhu@xjtu.edu.cn;何西铭,男,1993年出生,硕士研究生。主要研究方向为智能材料的传感性能。E-mail:bpm314@163.com;李涤尘,男,1964年出生,博士,教授,教育部长江学者特聘教授。主要研究方向为增材制造技术与生物制造。E-mail:dcli@mail.xjtu.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重大研究计划培育项目（91648110）、国家自然科学基金重大研究（51290294）和中央高校基本科研业务费专项资金资助项目。

Research on 3D Printing Process of Ionic Gel

LUO Bin^1,2, XIA Huachi^1,3, CHEN Hualing^1,2, ZHU Zicai^1,2, HE Ximing¹, LI Dicheng^1,4

1. School of Mechanical Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;
2. State Key Laboratory of Mechanical Structural Strength and Vibration, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049;
3. FAW Car Co. Ltd., Changchun 130012;
4. State Key Laboratory for Manufacturing Systems Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710054

Received:2017-11-19 Revised:2018-02-11 Online:2018-09-05 Published:2018-09-05

摘要/Abstract

摘要： 将3D打印技术应用于电活性聚合物材料-离子凝胶材料，采用离子凝胶的材料热压工艺所用的溶液配置方法，重点研究了在不同流量、不同扫描速度组合下，离子凝胶芯层与电极层单点成线、线拼成面后特征尺寸分布规律。实验结果表明：挤出流量的和扫描速度影响单点成线的线宽数值大小，进而影响线拼成面的单层质量。在得到单层质量最佳工艺参数及单层层厚参数的基础上，以圆柱环为例，通过多层叠加打印了厚度为0.5 mm的离子凝胶立体结构，给该结构的测点该施加500 mN的压力，该结构上下表面可产生0.35 mV的电压；采用复合打印技术制造出了离子凝胶的三明治结构，将打印出来的离子凝胶试件在3.5 V的直流电压下驱动，该试件末端18 s内可以发生1.5 mm的变形，传感驱动性能测试结果证明离子凝胶三维打印工艺可行，从而为后续该材料的复杂结构制造以及在软体机器人中的应用奠定基础。

关键词: 3D打印, 传感性, 复合打印, 挤出流量, 离子凝胶, 驱动性能, 扫描速度

Abstract: 3D printing technique is applied to electro-active polymer material-ionic gel. Solution configuration method is employed in hot pressing process for preparing ionic gel. The characteristic size distribution of the ionic gel core layer and electrode layer after the single line and line assembly experiments are studied under combinations of parameters such as flow rate and scanning speed. The experimental results show that the extrusion flow rate and the scanning speed influence the width of the fiber width, and then influence the single layer quality of fiber spelled surface. On the basis of the optimum process parameters and layer thickness, an ionic cylindrical ring structure with thickness of 0.5 mm is printed by multi-layers. The force of about 500 mN is applied to the measurement point of the structure, and the voltage response of 0.35 mV can generate on the upper and lower surface of the structure. The sandwich structure of ionic gels is made by composite printing technology. The printed ionic gel specimens are driven by DC voltage of 3.5 V, and 1.5 mm deformation could generate within 18 s at the end of the specimen. The sensing and driving performance test results prove that the 3D printing process of ionic gels is feasible, which lays a foundation for subsequent complex manufacturing of materials and applications in soft robots.

Key words: additive manufacturing, composite printing technology, driving properties, flow rate, ionic gel, scanning speed, sensing performance

中图分类号:

TP24
TP331

罗斌, 夏华翅, 陈花玲, 朱子才, 何西铭, 李涤尘. 离子凝胶材料的三维打印工艺[J]. 机械工程学报, 2018, 54(17): 157-164.

LUO Bin, XIA Huachi, CHEN Hualing, ZHU Zicai, HE Ximing, LI Dicheng. Research on 3D Printing Process of Ionic Gel[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2018, 54(17): 157-164.

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