實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：水下電極涂覆器件功能化驅(qū)動(dòng)

　　研究方向：隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了眾多新型功能性材料的打印，包括柔性材料和特種工程塑料在內(nèi)的新型耗材代表了新的發(fā)展潮流。雖然柔性材料在智能傳感、柔性驅(qū)動(dòng)上有著深入研究，但是往往其制作過(guò)程比較復(fù)雜，重復(fù)性設(shè)計(jì)多，因此需要3D打印來(lái)簡(jiǎn)化制作工藝并加快優(yōu)化速度。特種工程塑料性能優(yōu)異，但無(wú)法用常規(guī)3D打印機(jī)制作零部件，迄今國(guó)內(nèi)外對(duì)特種塑料3D打印工藝成型方面的研究報(bào)道甚少。因此，本論文借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)*技術(shù)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種高溫3D打印機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)柔性材料和特種工程塑料的打印，研究了柔性智能結(jié)構(gòu)一體化打印工藝和PEEK內(nèi)填充工藝，為實(shí)現(xiàn)功能性材料的打印應(yīng)用提供參考。

　　(1)開(kāi)展了3D打印柔性耗材(TPU)的擠出加工工藝實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)關(guān)注了擠出工藝中溫度參數(shù)的影響。通過(guò)分析不同溫度狀態(tài)下的TPU耗材質(zhì)量以及拉伸性能，發(fā)現(xiàn)隨著溫度上升，拉伸強(qiáng)度呈明顯下降趨勢(shì)，斷裂延伸率隨溫度無(wú)明顯變化，以此確定了確定適宜的擠出溫度。

　　(2)結(jié)合介電彈性體驅(qū)動(dòng)原理設(shè)計(jì)了軟體機(jī)器魚(yú)和軟體抓手的結(jié)構(gòu)形式，制定了3D打印一體化成型工藝，包括預(yù)拉伸、涂電極、3D打印、裝電源這四個(gè)步驟。分別采用水下電極和空氣電極的涂覆方式實(shí)現(xiàn)了器件的功能化驅(qū)動(dòng)，其中軟體機(jī)器魚(yú)實(shí)現(xiàn)了3cm/s的穩(wěn)定游動(dòng)速度，軟體抓手達(dá)到了10.1mN/g的抓取性能。

　　(3)設(shè)計(jì)了雙腔臺(tái)式高溫3D打印機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，包括多用途打印頭、移動(dòng)機(jī)構(gòu)、鈑金外框架、輔助機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)組件。選用Corexy型移動(dòng)機(jī)構(gòu)和ChiTuPro控制板，PTC加熱+熱輻射燈相結(jié)合的加熱系統(tǒng)，溫度由獨(dú)立的溫度控制模塊控制。對(duì)噴嘴出絲不流暢的問(wèn)題進(jìn)行了有限元模擬分析，得出實(shí)驗(yàn)條件下最佳0.4mm的噴嘴結(jié)構(gòu)。

　　(4)對(duì)PEEK內(nèi)填充工藝進(jìn)行了探索，研究擠出溫度、打印層厚、進(jìn)料速度對(duì)打印制品內(nèi)填充率的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:降低進(jìn)料速度，在提高打印溫度的情況下，可提高填充率，而對(duì)打印層厚影響不大，并以此確定了適宜的打印參數(shù)。這為以后產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供參考依據(jù).

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>驗(yàn)證水下電極涂覆器件功能化驅(qū)動(dòng)

　　測(cè)試設(shè)備：信號(hào)發(fā)生器、ATA-7000系列高壓放大器、3D打印材料

　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程：ATA-7100高壓放大器最大可將信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低壓信號(hào)放大2000倍，最大輸出電壓為±10kVp，信號(hào)發(fā)生器經(jīng)BNC線(xiàn)輸入高壓放大器進(jìn)行放大，待3D打印完成后我們需要對(duì)軟體魚(yú)的游動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，這里主要采用外置的高壓電源（Aigtek7100）提供電壓動(dòng)力函數(shù)發(fā)生器提供電壓波形，測(cè)試的設(shè)定參數(shù)為電壓、波形和頻率。值得注意的一點(diǎn)是連接線(xiàn)高壓端需要保護(hù)起來(lái)，避免游動(dòng)時(shí)與水接觸，因此在軟體魚(yú)的高壓線(xiàn)末端套上了硅膠薄膜和絕緣線(xiàn)，選擇的高壓線(xiàn)為細(xì)銅絲，盡量減少軟體魚(yú)在游動(dòng)過(guò)程中的牽引線(xiàn)阻力。當(dāng)軟體魚(yú)按照既定的游動(dòng)軌跡游泳時(shí)，逐漸從０開(kāi)始增加頻率和電壓，調(diào)整至較佳的運(yùn)動(dòng)水平。從實(shí)驗(yàn)效果來(lái)看，電壓6kV，正弦波，頻率5Hz，軟體魚(yú)的游動(dòng)保持著穩(wěn)定水平。

圖1-1：實(shí)驗(yàn)流程框圖

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：如圖所示，軟體魚(yú)游動(dòng)效果良好，可以很好的進(jìn)行前行，此次參數(shù)下的游動(dòng)速度為３ｃｍ／Ｓ，也就是每秒１／4伸長(zhǎng)的游動(dòng)水平，達(dá)到了較佳的游動(dòng)水平。當(dāng)然這不是最快的速度，可加上的最高電壓為１０ＫＶ，但是出現(xiàn)薄膜擊穿導(dǎo)致失效的可能性增大，在低水平電壓下驅(qū)動(dòng)，軟體魚(yú)可以連續(xù)游動(dòng)２ｈ以上，且形態(tài)不發(fā)生明顯變化。本次測(cè)試的軟體魚(yú)與電源之間是通過(guò)細(xì)銅絲連接的，由于銅絲長(zhǎng)度有限，因此游動(dòng)的范圍較小，如果能借住小型電源綁定在魚(yú)的軀體上，那么可以實(shí)現(xiàn)高自由度的游動(dòng)效果。

圖1-2：軟體魚(yú)游動(dòng)狀態(tài)

　　產(chǎn)品推薦：ATA-7000系列高壓放大器

圖：ATA-7000系列高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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