一群研究人员最近在《杂志》上发表了一篇论文添加剂制造这表明了使用拟议的混合添加剂制造（AM）技术来制造第一台完全三维（3D）印刷压电加速度计的可行性。
学习：基于压电的惯性传感器的混合添加剂制造。图片来源：gorodenkoff/shutterstock.com
背景
由于工艺灵活性增强，产品可定制性的提高以及使用AM技术制备的机械结构的更好的三维性，AM/3D打印在过去几年中作为用于电力机械设备制造的合适制造方法。
电力机械设备（例如加速度计）通常由具有机械移动零件的电动组件组成。因此，当协同作用中使用了各种AM技术（例如立体造影（SLA）和喷墨印刷（IJP））时，此类设备的生产是特别有益的。
例如，与最先进的微型电动机械系统（MEMS）加速度计相比，具有差分电容感应感应的完全金属化和3D打印的三轴或单轴加速度计证明的灵敏度可与或更好。
研究
在这项研究中，研究人员使用新的Hybrid AM技术制造了第一个完全3D打印的功能加速度计，能够通过压电信号读数进行压电信号读数，该技术将SLA和IJP技术组合在一起，并通过实验验证了制造的设备。
SLA was used to print the structural components of the uniaxial accelerometers using the photocurable THERMA DM500 resin, while IJP was employed to fabricate the piezoelectric readout part by depositing a polyvinylidene fluoride-trifluoroethylene (PVDF-TrFE) piezoelectric layer and the corresponding conductive silver electrodes (SLA打印设备表面上的银/P（VDF-TRFE）/银）。
由于其高玻璃过渡和热降解温度，因此选择了Therma DM500商业树脂以打印加速度计的结构部分，考虑到高温用于退火函数P（VDF-TRFE）层和银电极。电晕治疗用于增加树脂表面的亲水性。
IJP是一种有效且可扩展的沉积技术，用于用于功能层的沉积，因为它提供了一种无需成本，便捷且可再现的图案技术来制造压电材料和相应的互连。Comsol Multiphysics版本5.6用于执行有限元分析（FEA），以确认实验测量的可靠性。
所有结构零件和样品均用商用SLA机器（型号028J）打印，而Dimatix DMP-2850则使用带有10 PL弹药筒的Dimatix DMP-2850喷墨打印底部和顶部电极以及在底物上的压电聚合物。在IJP期间，将板温度设置为60°C的最大值，以防止咖啡环效应并确保更快的打印过程。
沉积后，在130°C下将底部和顶部电极固化一小时半。将0.7％的纯固体P（VDF-TRFE）溶解在含有70％wt的混合物中。二甲基磺胺（DMSO）/ 30％wt。在压电聚合物层打印过程中，甲基乙基酮（MEK）以获得最佳的液滴弹性。
维持1.5 kHz喷射频率，35 V打印电压和45°C的喷嘴温度以打印压电聚合物层。随后，将P（VDF-TRFE）层在140°C下退火两个小时。将完全3D打印的加速度计安装在振动器上，并进行参考加速度计用于表征。
为了评估印刷结构的收缩，随着时间的推移，在打印后，固结后以及随后以特定时间间隔后立即确定立方样品的体积。然后，通过打印和测量具有不同厚度和宽度的几种梁来获得树脂的收缩值。
观察
使用SLA技术有效地制造了两个指定为几何B和几何A的3D单轴加速度计。两种设计的质量悬浮机制彼此不同。有限元法（FEM）建模指导加速度计的设计和制造过程。
几何A由8 mm x 11 mm x 4 mm的证明质量组成，并使用两个延长的底部和顶部弹簧悬浮在7 mm x 11 mm x 345 µm。具有17 mm x 10 mm x 6 mm尺寸的锚点提供了固定基板和弹簧之间的连接。
使用IJP在顶部弹簧的宽且平坦的上面沉积了包含两个银电极和P（VDF-TRFE）层的压电传感元件，并在高温下退火，以获得第一个完全3D印刷的压电加速度计。
加速度计根据其第一个弯曲模式变形，并在压电聚合物中产生电压信号，该电压信号被检测到以确定作用于加速度计的外部加速度。
类似地，几何b由11 mm x 8 mm x 2 mm的证明质量组成，并通过两个伸长的左右弹簧悬浮为7 mm x 11 mm x 345 µm。
使用19 mm x 7 mm x 6 mm尺寸的两个锚将两个弹簧连接到固定基板。传感元件沉积在弹簧的顶部面上，并以类似于几何的方式确定外部加速度。
P（VDF-TRFE）层在退火和极点后显示出有效的压电行为。沉积了50 p（VDF-TRFE）层，以制备五µm厚的连续和无针孔P（VDF-TRFE）膜，以确保顶部和底部电极之间的完全绝缘层以防止短路。
在SLA打印过程中引入了支持，并一直保持直到IJP工艺结束，以提供机械支持以防止聚合物结构的不受控制的偏转，这归因于进行退火以治愈功能层和最大板温度。
与水平印花样品相比，使用SLA垂直印刷的树脂样品的表面粗糙度更高，这需要使多个银层沉积以完全覆盖树脂表面。
尽管两个银层足以容纳树脂表面覆盖范围，但仍沉积了三层，以达到具有较厚厚度的底部银电极。银沉积后，将树脂表面温度平衡。与压电层和底部电极相比，顶部银电极的厚度保持小，以避免短路。
电晕治疗后获得高度亲水性树脂表面，以防止图案破裂。具体而言，由于表面限制了墨水材料的局部积累，并减少了开发微裂缝的机会，因此在处理过的树脂样品表面上的银墨水分布明显更好。
在银纳米粒子墨水IJP期间的液滴速度和喷射频率设置为六m S-1和五个kHz，以确保总树脂覆盖范围，优化层均匀性，最大化模式精度并最小化打印时间。
印刷结构的收缩主要在固化后30分钟内观察到，并且在固化后过程后平均收缩率为3.76％。此外，对于宽度较小的光束，收缩值较大。
在几何学计算机中，从实验获得的固有频率值与5 g和1.8 g的外部加速度的数值预测之间观察到了相当大的差异，这归因于材料特性和几何学的不确定性。
然而，通过模态分析估算的几何b加速度计的固有频率值与从实验中获得的值吻合良好，即使考虑了制造缺陷和材料特性不确定性。
这两个设备的敏感性均低于Comsol Multiphysics v.5.6的数值预测的一个数量级，因为在轮询阶段使用的电场值远低于由于制造过程诱导的限制而引起的规定限制。
总而言之，这项研究的结果有效地证明了3D打印的压电加速度计具有感知加速度的能力以及使用拟议的混合AM技术在中尺度上构建电力传感器的可行性。
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资源
Levi，M.，Zega，V.，Hatami，D。等。基于压电的惯性传感器的混合添加剂制造。添加剂制造2022。https://www.欧洲杯线上买球sciendirect.com/science/article/pii/s221486042200481x?via%3dihub
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