在現(xiàn)代科技的浪潮中，電靜力設(shè)備因其快速響應(yīng)、高能量密度和低噪音等特性，被廣泛應(yīng)用于執(zhí)行器、傳感器和粘附裝置等領(lǐng)域。然而，傳統(tǒng)的電靜力設(shè)備制造方法大多依賴于逐層堆疊技術(shù)，這種方法不僅耗時，而且限制了設(shè)計的靈活性和設(shè)備的性能。
近年來，隨著3D打印技術(shù)的興起，研究人員開始探索如何利用這一技術(shù)突破傳統(tǒng)制造方法的局限，實現(xiàn)復(fù)雜電靜力系統(tǒng)的快速開發(fā)。傳統(tǒng)的電靜力設(shè)備制造方法，如刮刀涂層和旋涂法，雖然技術(shù)成熟，但存在諸多問題。首先，這些方法通常只能制造簡單的平面幾何結(jié)構(gòu)，難以實現(xiàn)復(fù)雜的三維電靜力結(jié)構(gòu)。其次，由于制造過程中的缺陷，這些方法容易導(dǎo)致設(shè)備性能不穩(wěn)定。此外，傳統(tǒng)的模具方法雖然可以制造更復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，但對材料的流動性要求較高，限制了材料的選擇范圍，并且多材料模具制造的復(fù)雜性也限制了其在更廣泛應(yīng)用中的可擴展性。盡管已有研究致力于提升電靜力設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能，但大多數(shù)現(xiàn)有制造技術(shù)仍處于非自動化階段，限制了其可擴展性和設(shè)計復(fù)雜性。
基于此，研究人員開始探索通過3D打印技術(shù)來改善制造工藝，例如利用熔融沉積建模（FDM）制造全3D打印的電粘附裝置，或通過數(shù)字光處理（DLP）制造多層電靜力執(zhí)行器。然而，這些方法要么只能部分實現(xiàn)3D打印，要么對材料和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性要求較高，難以滿足全3D打印電靜力設(shè)備的需求。直接墨水寫（DIW）作為一種基于擠壓的3D打印技術(shù)，已被用于制造介電設(shè)備，包括介電彈性體執(zhí)行器。然而，這些方法通常只能制造平面設(shè)備，需要通過卷曲或堆疊才能實現(xiàn)所需的三維結(jié)構(gòu)。同軸打印技術(shù)為這一問題提供了新的解決方案，但目前的同軸打印方法大多只能制造圓形同軸纖維，限制了纖維之間的相互作用面積，從而影響了電靜力設(shè)備的性能和應(yīng)用范圍。因此，開發(fā)能夠制造更復(fù)雜結(jié)構(gòu)且具有高分辨率的新型打印方法，以提升電靜力設(shè)備的性能，成為了當前研究的重要方向。
來自南洋理工大學(xué)王一凡教授課題組提出了一種基于直接墨水寫（DIW）技術(shù)的制造方法，用于生產(chǎn)具有可定制截面形狀的同軸電靜力纖維（CEFs）。這種纖維的導(dǎo)電核心由聚二甲基硅氧烷（PDMS）和碳黑（CB）組成，而介電外殼則由高介電常數(shù)的硅樹脂（SE 1700）、鈦酸鋇顆粒（BTO）和碳黑混合而成。其中，實驗中的同軸噴嘴是采用摩方精密面投影微立體光刻（PμSL）技術(shù)（nanoArch® S140，精度：10μm）制備而成，成型材料選用摩方HTL樹脂。
相關(guān)研究以“Direct ink writing of coaxial electrostatic fibers with customizable cross-sections and functional properties"為題發(fā)表在國際期刊《Additive Manufacturing》上。
通過優(yōu)化墨水的流變性質(zhì)，研究人員成功制造了多種幾何結(jié)構(gòu)，包括一維纖維、二維網(wǎng)格和分層結(jié)構(gòu)，以及三維線圈和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)手工制造和現(xiàn)有3D打印方法相比，這種方法不僅能夠使用多種材料制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，還能實現(xiàn)對纖維核心直徑和外殼厚度的高精度控制。研究人員通過改變噴嘴形狀和調(diào)整流速比，實現(xiàn)了不同截面形狀（如圓形、三角形和矩形）的纖維制造，并將外殼厚度控制在薄至33μm。這種技術(shù)不僅顯著提升了電靜力設(shè)備的設(shè)計靈活性，還提高了其性能，為電靜力設(shè)備在執(zhí)行器、機器人和觸覺界面等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了更廣闊的可能性。
研究人員進一步展示了這些打印電靜力結(jié)構(gòu)在電靜力離合器和電驅(qū)動形狀變形結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用。實驗結(jié)果表明，通過調(diào)整纖維的截面形狀和外殼厚度，可以顯著增強電靜力設(shè)備的性能。例如，三角形截面的纖維結(jié)構(gòu)由于其更大的接觸面積，能夠產(chǎn)生更強的電靜力，從而在不增加設(shè)備尺寸或電壓需求的情況下，實現(xiàn)更高的力響應(yīng)。此外，研究人員還通過打印具有梯形截面的纖維，制造了一種電驅(qū)動形狀變形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠在施加電壓后從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S管狀結(jié)構(gòu)，展示了其在形狀變形領(lǐng)域的巨大潛力。
總結(jié)：
這項研究通過直接墨水寫技術(shù)成功制造了具有可定制截面形狀和功能特性的同軸電靜力纖維，為電靜力設(shè)備的制造提供了一種全新的高效、靈活的解決方案。研究人員通過優(yōu)化導(dǎo)電和介電墨水的配方，實現(xiàn)了對纖維截面形狀、外殼厚度和力學(xué)性能的精確控制，并展示了其在電靜力離合器和電驅(qū)動形狀變形結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用潛力。
在電靜力離合器的應(yīng)用中，研究人員通過改變纖維的截面形狀和外殼厚度，顯著提升了離合器的性能。例如，三角形截面的纖維結(jié)構(gòu)由于其更大的接觸面積，能夠產(chǎn)生更強的電靜力，從而在不增加設(shè)備尺寸或電壓需求的情況下，實現(xiàn)更高的力響應(yīng)。這種設(shè)計不僅提高了設(shè)備的性能，還為電靜力設(shè)備在可穿戴設(shè)備和機器人技術(shù)中的應(yīng)用提供了新的可能性。
在電驅(qū)動形狀變形結(jié)構(gòu)的實驗中，研究人員通過打印具有梯形截面的纖維，成功制造了一種能夠在施加電壓后從平面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槿S管狀結(jié)構(gòu)的裝置。這一成果展示了同軸電靜力纖維在形狀變形領(lǐng)域的巨大潛力，為未來開發(fā)更復(fù)雜、更高效的變形結(jié)構(gòu)提供了新的思路。
盡管取得了顯著的成果，但研究人員也指出，當前的制造方法仍面臨一些挑戰(zhàn)。例如，現(xiàn)有的熱固化過程限制了復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的制造，而纖維的小型化（小于400μm）也存在困難。此外，設(shè)備的高工作電壓（數(shù)千伏）也帶來了安全問題，限制了其在小型可穿戴設(shè)備中的應(yīng)用。
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