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文章导读
智能结构的功能定制化和加工一体化是实现其大规模应用的关键，因而广受研究者的关注。相比于传统制造技术，采用3D打印技术制备智能结构不但能极大地拓展其设计自由度以实现复杂功能，而且能通过一体化成形确保其系统完整性。采用多材料熔融沉积成型(FDM)增材制造技术，具有成型速度快、制备成本低、设计空间广等优点，尤其适用于智能结构的小批量、定制化生产。然而，当前利用FDM技术制备柔性智能结构仍然面临着功能性丝材缺乏和软材料打印困难的挑战。
近期，南方科技大学熊异助理教授团队联合葛锜副教授团队在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Smart structures with embedded flexible sensors fabricated by fused deposition modeling-based multimaterial 3D printing”的论文，探索了通过多材料熔融沉积成型3D打印技术制备具有嵌入式柔性传感器智能结构的方法，为小批量、定制化生产具有嵌入式柔性传感器的智能结构提供了可能。
引用: Huilin Ren, Xiaodan Yang, Zhenhu Wang, Xuguang Xu, Rong Wang, Qi Ge & Yi Xiong (2022) Smart structures with embedded flexible sensors fabricated by fused deposition modeling-based multimaterial 3D printing, International Journal of Smart and Nano Materials, DOI: 10.1080/19475411.2022.2095454
文章内容
图1. 多材料FDM 3D打印技术制备具有
嵌入式柔性传感器智能结构的流程
图1 展示了多材料FDM 3D打印技术制备具有嵌入式柔性传感器的智能结构的完整流程，从具有导电性的丝材制备，到FDM软材料打印机理分析，到多材料FDM 3D打印，再到最后具有嵌入式柔性传感器的智能结构快速验证。
图3. FDM 3D打印软材料失效模式与机理分析
通过调节CB含量（图2），丝材的导电和力学性能均发生了显著变化。在典型FDM打印机中，主动齿轮带动凹槽滑轮实现丝材的送给；而对于软材料，两边受力不均会产生无法忽略的剪切力，导致丝材产生剪切、弯曲、屈曲等无法打印的现象（图3和图4）。通过改进送丝机构，增加传送比，能够拓展FDM技术在软材料领域的应用。同时，本文提出了屈曲判断系数，该系数可通过对丝材的流变学特性表征获得，并用于对可打印性的定量分析（图5）。
图7. 应用一：柔性双轴应变传感器
图8. 应用二：智能轮胎
图6展示了打印样件的传感性能，结果显示传感器电阻值的变化能够实时追踪应变变化，且具有较快的响应。由于该制造流程使得传感器可以在功能、布局和灵敏度方面进行定制化，该方法赋予智能结构更大的设计自由度。另外，该设计制造流程能同时制造承载结构和传感器件，因此可实现智能结构的一体化成形而无需手动组装。图7-9展示了该流程制备的具有嵌入式柔性传感器的智能结构实际应用，具有良好的灵敏度、可重复性和稳定性。
作者简介
南方科技大学系统设计与智能制造学院博士生任慧琳为本文第一作者，熊异助理教授和葛锜副教授为共同通讯作者。
任慧琳，南方科技大学系统设计与智能制造学院2021级博士，主要研究方向为复合材料增材制造、设计制造一体化。
熊异，博士，南方科技大学系统设计与智能制造学院助理教授，博士生导师。主要研究领域包括：计算设计与制造，面向增材制造的设计，复合材料增材制造。在国际学术刊物杂志及重要国际学术会议上发表论文近30篇。担任IEEE-ASME T MECH, Addit. Manuf., IEEE Sens. J.，和Rapid Prototyp等国际期刊审稿人和和比利时VLAIO基金评审专家。
葛锜，博士，国家特聘青年专家，南科大机械系长聘副教授，博士生导师。曾在美国麻省理工学院从事博士后研究，在新加坡科技设计大学担任助理教授。自2019年6月全职回国后，先后主持国家自然科学基金面上项目、科技部国家重点研发计划项目课题等项目。研究领域包括4D打印、智能材料与结构、软体机器人等。包括在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等高水平期刊发表论文70余篇。Google Scholar引用7800余次，H-index 38，入选Elsevier 2021年中国高被引学者、斯坦福大学2021年全球前2%顶尖科学家。International Journal of Extreme Manufacturing杂志编委。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获取英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2021年影响因子为4.0。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
IJSNM所有文章接收后即可在线发布并获得引用，欢迎广大学者将最新研究论文投稿至IJSNM。
期刊主页：https://www.tandfonline.com/journals/tsnm20
投稿地址：https://mc.manuscriptcentral.com/ijsnm
编辑部联系方式：
Email：ijsnm@hit.edu.cn; ijsnm_journal@hit.edu.cn
Tel.: 0451-86413401; 0451-86413403
引用数据：
Web of Science (SCIE). EI、Scopus、Inspec等20多个数据库收录
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Q2 (2021) Impact Factor Best Quartile
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