實驗名稱：水下電極涂覆器件功能化驅(qū)動

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)動上有著深入研究，但是往往其制作過程比較復雜，重復性設(shè)計多，因此需要3D打印來簡化制作工藝并加快優(yōu)化速度。特種工程塑料性能優(yōu)異，但無法用常規(guī)3D打印機制作零部件，迄今國內(nèi)外對特種塑料3D打印工藝成型方面的研究報道甚少。因此，本論文借鑒國內(nèi)外相關(guān)先進技術(shù)，開發(fā)設(shè)計了一種高溫3D打印機，可以實現(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，為實現(xiàn)功能性材料的打印應用提供參考。

(1)開展了3D打印柔性耗材(TPU)的擠出加工工藝實驗，重點關(guān)注了擠出工藝中溫度參數(shù)的影響。通過分析不同溫度狀態(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，拉伸強度呈明顯下降趨勢，斷裂延伸率隨溫度無明顯變化，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)動原理設(shè)計了軟體機器魚和軟體抓手的結(jié)構(gòu)形式，制定了3D打印一體化成型工藝，包括預拉伸、涂電極、3D打印、裝電源這四個步驟。分別采用水下電極和空氣電極的涂覆方式實現(xiàn)了器件的功能化驅(qū)動，其中軟體機器魚實現(xiàn)了3cm/s的穩(wěn)定游動速度，軟體抓手達到了10.1mN/g的抓取性能。

(3)設(shè)計了雙腔臺式高溫3D打印機的主要結(jié)構(gòu)，包括多用途打印頭、移動機構(gòu)、鈑金外框架、輔助機構(gòu)等結(jié)構(gòu)組件。選用Corexy型移動機構(gòu)和ChiTuPro控制板，PTC加熱+熱輻射燈相結(jié)合的加熱系統(tǒng)，溫度由獨立的溫度控制模塊控制。對噴嘴出絲不流暢的問題進行了有限元模擬分析，得出實驗條件下最佳0.4mm的噴嘴結(jié)構(gòu)。

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

實驗目的：驗證水下電極涂覆器件功能化驅(qū)動

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

實驗過程：ATA-7100高壓放大器最大可將信號發(fā)生器產(chǎn)生的低壓信號放大2000倍，最大輸出電壓為±10kVp，信號發(fā)生器經(jīng)BNC線輸入高壓放大器進行放大，待3D打印完成后我們需要對軟體魚的游動狀態(tài)進行測試，這里主要采用外置的高壓電源（Aigtek7100）提供電壓動力函數(shù)發(fā)生器提供電壓波形，測試的設(shè)定參數(shù)為電壓、波形和頻率。值得注意的一點是連接線高壓端需要保護起來，避免游動時與水接觸，因此在軟體魚的高壓線末端套上了硅膠薄膜和絕緣線，選擇的高壓線為細銅絲，盡量減少軟體魚在游動過程中的牽引線阻力。當軟體魚按照既定的游動軌跡游泳時，逐漸從０開始增加頻率和電壓，調(diào)整至較佳的運動水平。從實驗效果來看，電壓6kV，正弦波，頻率5Hz，軟體魚的游動保持著穩(wěn)定水平。

圖1-1：實驗流程框圖

實驗結(jié)果：如圖所示，軟體魚游動效果良好，可以很好的進行前行，此次參數(shù)下的游動速度為３ｃｍ／Ｓ，也就是每秒１／4伸長的游動水平，達到了較佳的游動水平。當然這不是最快的速度，可加上的最高電壓為１０ＫＶ，但是出現(xiàn)薄膜擊穿導致失效的可能性增大，在低水平電壓下驅(qū)動，軟體魚可以連續(xù)游動２ｈ以上，且形態(tài)不發(fā)生明顯變化。本次測試的軟體魚與電源之間是通過細銅絲連接的，由于銅絲長度有限，因此游動的范圍較小，如果能借住小型電源綁定在魚的軀體上，那么可以實現(xiàn)高自由度的游動效果。

圖1-2：軟體魚游動狀態(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參數(shù)

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審核編輯 黃宇