3D打印传感器应用及优势分析

近年来，3D打印技术以其独特的特点在制造领域取得了巨大的突破。与传统制造方法相比，3D打印具有成本低、制造时间短、材料组合多样性以及独特产品设计等优势。不同的3D打印材料包括聚合物、金属、陶瓷和水凝胶，具有各自独特的特性和应用。柔性传感器作为一种新型传感器，由柔性材料制成，具有自由弯曲和延展性。食品健康与全人类的饮食健康息息相关，食品监测的重要性日益凸显。传感器作为食品工业监测技术的关键手段，被广泛应用。结合3D打印技术和柔性传感器的优势，可以实现食品监测的智能化和灵活性。这种结合将推动食品健康领域的技术创新，提高食品质量控制和食品安全监测的水平。通过使用3D打印技术制造柔性传感器，可以简化制造过程并实现材料多样性。结合这两种技术，可以为食品健康领域提供全新的解决方案，并促进食品质量控制与安全监测的发展。中国农业大学肖新清副教授课题组提出3D打印的柔性传感器在食品分析监测领域具有灵活适应性和高灵敏度，能够实现实时监测和准确检测，为食品安全提供成本效益的解决方案。分析了3D打印工艺在柔性传感器制造中的优势，并介绍了3D打印材料和水凝胶材料在柔性传感器制造中的优势。针对食品监测应用，详细讨论了对食品的气体，微生物和非气态化合物的监测，并分析了各应用的优缺点和场景。

★  文章解析

1. 用于柔性传感器的 3D 打印技术

喷墨打印和气溶胶喷射是3D打印的两种方法。在制作柔性传感器时，喷墨打印制作柔性传感器的导电电极。气溶胶喷射则可以用于制作柔性传感器的敏感材料层。常见的3D打印方法包括多射流融合（MJF），熔融沉积建模（FDM），直接金属激光烧结（DMLS），电子束熔化（EBM），数字光处理（DLP）和直接墨水书写（DIW）。其中，MJF、DMLS和EBM在柔性传感器应用中使用较少。这三种3D打印技术通常会产生更硬，更厚的零件，难以满足柔性传感器的特定要求。FDM、DIW 、SLA和  DLP 在柔性传感器的制造中更为常见和流行。如图1所示为这四种打印工艺的流程及应用。如图2所示是3D打印流程图，总结了3D打印的一般工艺流程。  

图1：四种印刷工艺应用

图2显示了EMG和TENG的发电原理以及激光烧蚀的原理，并在Comsol中模拟了发电过程和激光烧蚀过程。Comsol中 2 对圆形永磁体的磁标量电位分布的有限元仿真结果如图 2 a 所示。结果表明：每对磁体具有相同的磁电势分布，磁电势沿圆形磁体的径向逐渐减小，在边缘附近消失至零;图2 b显示了EMG的发电原理：由于电磁感应，当磁体沿一个方向移动时，EMG中的铜线圈将产生交流感应电流。图2c是独立模式TENG的Comsol模型，显示了不同滑动位移下电极对上的电位分布。在单个循环中，随着滑动距离的增加，电极之间的电位差逐渐增加。TENG的原理如图2d所示，分为三种状态：初始状态I，中间状态II和最终状态III。这三种状态构成了当前一代的完整循环。图2g说明了Cu电路的激光烧蚀原理。紫外（UV）激光打标机包括PC、紫外纳秒激光器、工业冷却器和振镜。工业冷却机直接作用于紫外纳秒激光器，在整个过程中保持低温。激光波长为15ns，激光束的脉冲宽度约为355nm。当激光作用在Cu膜上时，Cu被剥离并迅速升华。通过烧蚀PI/Cu薄膜获得柔性Cu电路。在不同功率下，激光烧蚀深度随速度变化具有较强的线性变化。图7e–f显示了两次消融后的模拟形态。反复烧蚀后，Cu几乎完全蚀刻，残留的Cu失去导电能力，形成理想电路并表现出良好的柔韧性。

图 2：3D打印制造过程

除此之外，3D生物打印是一种新兴的生物制造技术，是传统3D打印与生物学相结合的新领域，是一种特殊的3D打印技术。制造的柔性传感器具有更高的生物相容性和生物学可及性，可以更好地适应环境变化和人体的生理状态，从而进行更好的探索和生物学研究。生物3D打印技术还允许高精度和高分辨率打印，从而可以在小型和精细传感器中实现更高的精度和控制。如图3所示是生物3D打印示意图, 生物3D打印最常用的打印方法有三种：喷墨生物打印，微挤出成型生物打印和激光辅助生物打印。如图4所示，显示了三种类型的生物3D打印。

图 3：生物3D打印示意图

图 4：三种类型的生物打印

2. 用于柔性传感器的 3D 打印材料

目前，用于利用3D打印技术制造柔性传感器的材料主要包括高分子材料、金属材料、陶瓷材料等。此外，还有适合生物3D打印的水凝胶材料。如图5所示为各材料性能。这些材料具有出色的可重复性、适应性和可定制性。它可以制造任意复杂的形状，这是制造柔性传感器的理想选择。

（1）高分子材料

作为当今使用最广泛的一类3D打印材料，在制造柔性传感器时常用热塑性弹性体，聚合物复合材料等。这种聚合物的主要特性是其优异的柔韧性和弹性，以及一定的导电性和机械强度。这使得弹性聚合物成为制造柔性传感器的常见选择之一。

（2）金属材料

金属材料的强度和耐磨性通常高于塑料和纤维材料，因此在柔性传感器制造中具有广泛的应用。使用金属材料制造柔性传感器的过程通常采用电化学沉积技术。该技术可以通过将一层金属沉积到薄聚合物基板上以产生薄而灵活的金属膜来实现。金属材料也可用于3D打印金属颗粒以制造柔性传感器。通过添加铜和铁等金属颗粒或带有各种高强度金属纤维的印刷材料，可以制造出具有高强度、高导电性和高抗水蒸发性的柔性传感器

（3）陶瓷材料

陶瓷材料是特殊的无机材料，具有高强度和高温稳定性以及良好的耐腐蚀性、保护和生物医学可接受性，这使得它们有望在制造柔性传感器的 3D 打印中得到广泛的应用。陶瓷材料可用于通过快速烧结技术可以轻松制造各种形状的传感器，并且具有能够通过热处理增强的优点。此外，陶瓷材料可以通过控制成分、微观结构和其他方面来优化柔性传感器，以实现各种性能修改。陶瓷材料的高硬度和韧性可以通过同时抑制晶粒生长和施加晶界硬度来实现，阻尼和导电性等特殊性能也可以通过选择合适的添加剂来实现。

（4）水凝胶

水凝胶具有柔韧性和透明度等特性，可以通过3D打印技术精确制造任意形状。水凝胶还具有高水平的生物相容性，这使得它们在3D打印生物材料中尤为重要。通过利用这些特性，我们可以创建更灵活、适应性更强的柔性传感器，为各种应用带来重要价值。水凝胶的吸附特性可使所制造传感器能对食品中化学成分监测，在其表面引入生物感受器也可对食品中细菌、霉菌等微生物的检测，有助于食品安全管理和细菌污染的预防。

图 5：不同材料性能

3. 在食品监测领域的应用

目前，有许多食品分析和监测方法。一种是感官监测方法，用于评估食物的质量特征。第二种是物理监测法，通过测量物理量来了解食物的组织组成和含量。第三种是化学分析法，通过对食物组织成分的化学性质作为分析的基础。第四种是仪器监测法，又称理化监测法，它是根据食品的理化性质，利用精密的分析仪器和各种传感器进行食品监测，具有简便、灵敏、速度、准确等优点。在食品监测、食品成分分析、食品包装等领域已经开发了许多使用 3D 打印技术制造的柔性传感器，根据食品检测方法，我们根据气体、微生物和非气体化合物进行分类介绍，如图6所示。

（1） 气体

在食品安全领域，气体传感器的应用非常重要。通过3D打印柔性传感器，可以实现对食品中有害气体的快速检测和监测，从而保护消费者的健康和安全。在食品领域应用中检测气体包括了NH3、C₂H₅OH、NH3、CO、TVB-N等。

（2） 微生物

微生物污染是一个主要的食品安全问题。利用3D打印柔性传感器，可以开发高灵敏度的微生物传感器，快速准确地检测食品中的细菌和霉菌等微生物污染，为食品生产加工提供实时监测和控制手段，其中监测对象最多的就是大肠杆菌。

（3） 非气态化合物

食品中的化学残留物是食品安全的重要问题。利用3D打印的柔性传感器，可以开发高灵敏度的化合物传感器，可以快速检测食品中的农药、重金属和其他有害化合物，为食品质量监测和食品安全管理提供有效的手段。文中介绍对象包括碳水化合物、H2O2、毒死蜱、二嗪农和马拉硫磷、C6H12O6、H2O、甲烷-膦酸等化合物。

图 6：不同检测方法

★  结论与展望

3D打印机和传感器背后的所有技术在过去几年中都取得了重大进展，但随着这两种技术的混合和结合，挑战正在增加，目前，可以从以下几个方面深入研究。

（1）3D打印材料问题会限制打印传感器的性能和可靠性，并且传感器在长时间使用后可能会失效或失效，因此需要更好的设计和制造工艺来提高其可靠性，研究理想的材料尤为重要，不合适的材料有时会产生巨大的影响。

（2）缺乏3D打印传感器寿命信息，且不知道3D打印产品可以使用多长时间。

（3）每个传感器响应特性略有不同，因此需要校准以确保其准确性和可重复性。

（4）食品检测中缺乏3D打印柔性传感器的标准和规范，需要制定这些标准和规范以确保其安全性和有效性。

尽管3D打印传感器具有许多优点，但如果它们要用于食品监测，则必须注意打印材料的无毒性，这应该指导未来的研究。虽然3D打印传感器在食品检测中的应用尚不完善，但不得不说未来发展潜力巨大。

编辑：黄飞