CN108603742A

CN108603742A - 应变传感器

Info

Publication number: CN108603742A
Application number: CN201680078977.2A
Authority: CN
Inventors: S·沙芬斯; K·P·戴坎姆; C·S·鲁普
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2016-04-15
Filing date: 2016-04-15
Publication date: 2018-09-28
Also published as: US11090862B2; EP3443293A1; EP3443293B1; WO2017180162A1; EP3443293A4; US20190152137A1; US12011874B2; US20210339466A1

Abstract

应变传感器可包括电阻器、在电阻器的第一端的第一电触点以及在电阻器的第二端的第二电触点。电阻器可以由与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的元素过渡金属颗粒的基体形成。

Description

应变传感器

背景技术

应变传感器通常用于测量应变，或者换句话说，测量在施加的力下物体的压缩或伸展的量。许多类型的测量装置使用应变传感器来测量另一个量，比如压力、负载、扭矩和重量。常见类型的应变传感器利用材料的电阻取决于材料的长度和截面积的共同特性。应变传感器通常由结合到基底材料的金属箔图案组成。这样的应变传感器以使得被测量的应变将导致金属箔图案弯曲的方式放置。取决于弯曲的方向，金属箔图案可以承受压缩力或拉伸力。当金属箔图案被压缩时，金属箔图案的长度略微减小并且厚度略微增加，这导致电阻的整体降低。当金属箔图案处于拉伸应力下时，金属箔图案的长度略微增加并且厚度略微减小，导致电阻增加。可以检测电阻的这些小变化并将其与应变传感器经历的应变相关联。

附图说明

图1是根据本公开的示例的三维打印应变传感器的俯视图；

图2是根据本公开的示例的具有集成应变传感器的三维打印部件的俯视图；

图3是根据本公开的示例的热塑性聚合物粉末层的特写侧截面图，其中导电熔融油墨被打印在该层的一部分上；

图4是根据本公开的示例的图3的层在该层已经被固化之后的特写侧截面图；

图5是图示说明根据本公开的示例的制造具有集成应变传感器的三维打印部件的方法的流程图；

图6A是根据本公开的示例的具有集成应变传感器的三维打印部件的侧平面图；以及

图6B是根据本公开的示例的图6A的三维打印部件旋转90度的前平面图。

附图描绘了本公开技术的若干示例。然而，应该理解，本技术不限于所描绘的示例。

具体实施方式

本公开涉及应变传感器和3D打印的领域。更具体地，本公开提供了三维打印应变传感器、具有集成应变传感器的三维打印部件以及打印该部件的方法。

典型的应变传感器是通常使用粘合剂或紧固件固定于研究中的表面的分立组件。例如，为了测量结构梁的应变，应变传感器可放置在横向于梁预期弯曲的方向的梁的表面上，以便测量梁的弯曲。

本技术提供了应变传感器。这些应变传感器可以在三维打印物体的设计过程中集成并打印为成品物体本身的一部分。因此，应变传感器组件可在不使用粘合剂或紧固件的情况下集成到该部分中。通过消除单独的应变传感器组件，可以降低使用应变传感器的系统的复杂性和成本。潜在的成本效率包括消除制造步骤和材料成本。通过去除由于粘合剂分层或紧固件失效导致的失效模式，本技术还可使系统更耐用和可靠。将应变传感器集成为三维打印物体的一部分还允许测量该部分中任何内部位置的内部应变。这可以提供优于附着在物体外部的单独的应变传感器(其仅测量传感器所附着的外表面处的应变)的优点。

三维打印可用于形成各种各样的部件，包括使用传统方法(比如铣削或模制)难以制造或不可能制造的部件。本技术允许三维打印的应变传感器被一体地打印在任何三维打印部件中。在一些情况下，应变传感器可提供监测三维打印部件以获得部件所承受的应力的信息。在一些示例中，可将这样的部件制造成比非仪表化部件较不严格的强度规格，因为来自应变传感器的恒定反馈提供了对可能损害部件完整性的应力的检测。使用该反馈，可调整使用该部件的系统以在部件失效之前降低部件上的应力。因此，本技术可在不降低使用该部件的系统的性能的情况下减小部件制造成本。应变传感器还可改善应变测量的准确度。由于应变传感器是被测试应变的部件的整体组件，因此应变传感器始终可靠地暴露于施加在部件上的相同的力。

在本技术的一些示例中，可使用涉及热塑性聚合物颗粒的粉末床、导电熔融油墨和第二熔融油墨的过程来形成具有集成应变传感器的三维打印部件。在该过程中，将聚合物粉末的薄层铺在床上以形成粉末床。然后使用打印头(比如喷墨打印头)在粉末床的对应于要形成的三维物体的薄层的部分上打印熔融油墨。可在期望形成应变传感器的导电电阻器的区域中打印导电熔融油墨，并且可在其他区域中打印第二熔融油墨。然后将床暴露于光源，例如，通常是整个床。熔融油墨比未打印的粉末吸收更多来自光的能量。吸收的光能转换成热能，使粉末的打印的部分熔化并聚结。这形成了固体层。在形成第一层之后，将新的聚合物粉末的薄层铺在粉末床上，并重复该过程以形成附加层，直到打印完整的三维部件。这样的三维打印过程可以以高准确度实现快速吞吐量。

在该描述的前提下，图1示出了应变传感器100的示例。应变传感器可以是三维打印的应变传感器，可包括电阻器110、在电阻器的第一端的第一电触点120以及在电阻器的第二端的第二电触点130。电阻器可由与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的元素过渡金属颗粒的基体形成。包括烧结的元素过渡金属颗粒的基体和熔融的热塑性聚合物颗粒的基体的这种复合材料将在下面更详细地描述。

本技术还扩展到具有集成应变传感器的三维打印部件。图2示出了这样的三维打印部件200的示例。该部件可包括由熔融的热塑性聚合物颗粒形成的部件主体210。集成应变传感器可包括电阻器110、在电阻器的第一端的第一电触点120以及在电阻器的第二端的第二电触点130。如上所述，电阻器可由与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的元素过渡金属颗粒的基体形成。该熔融的热塑性聚合物颗粒的基体可连续熔融至部件主体的熔融的热塑性聚合物颗粒。

在图3-图4中更详细地示出构成电阻器的导电复合材料。如图3所示，电阻器可由热塑性聚合物颗粒330和过渡金属颗粒320形成。在制造电阻器的方法的一个示例中，热塑性聚合物颗粒层300可铺在粉末床三维打印机中。该层的第一部分310可用含有过渡金属的导电油墨打印。第二部分340可用熔融油墨打印，该熔融油墨包括能够从电磁辐射吸收能量并将能量转换成热量的熔融剂。然后可将热塑性聚合物颗粒层暴露于电磁辐射以升高该层的温度，使聚合物颗粒熔融在一起，并使过渡金属颗粒烧结在一起。图4示出了熔融后的层400。聚合物颗粒熔融在一起以形成熔融的热塑性聚合物颗粒的基体430，并且过渡金属颗粒烧结在一起以形成烧结的过渡金属颗粒的基体420。熔融的热塑性聚合物颗粒的基体和烧结的过渡金属颗粒的基体互锁，形成导电复合材料。另外，导电复合材料仅存在于打印导电油墨的第一区域410中，而不存在于打印有另一种熔融油墨的第二区域440中。

应注意，这些图不一定按比例绘制，并且粉末颗粒和过渡金属颗粒的相对尺寸可与所示的不同。例如，在许多情况下，过渡金属颗粒可比粉末颗粒小得多，比如小2-3个数量级。

还应注意，图4仅示出了导电复合材料的二维截面。尽管在图中烧结的金属颗粒看起来在分离的位置上，但在三维上烧结的金属颗粒的基体可以是连续连接的基体。因此，导电复合材料可通过烧结的过渡金属颗粒的基体具有良好的导电性。

可使用各种材料来形成三维打印的应变传感器和具有集成应变传感器的部件。在一些示例中，该材料可包括热塑性聚合物粉末、导电熔融油墨和第二熔融油墨。热塑性聚合物粉末可包括平均粒径为20μm至100μm的粉末颗粒。如本文所使用的，除非另有说明，否则关于颗粒性质的“平均”是指数均。因此，“平均粒径”是指数均粒径。另外，“粒径”是指球形颗粒的直径或非球形颗粒的最长尺寸。

在某些示例中，聚合物颗粒可具有各种形状，比如基本上球形的颗粒或不规则形状的颗粒。在一些示例中，聚合物粉末可能够形成具有20至100微米分辨率的3D打印部件。如本文所使用的，“分辨率”是指可在3D打印部件上形成的最小特征的尺寸。聚合物粉末可形成约20至约100微米厚的层，使得打印部件的熔融层具有大致相同的厚度。这可在z轴方向上提供约20至约100微米的分辨率。聚合物粉末还可具有足够小的粒径和足够规则的颗粒形状，以沿x轴和y轴提供约20至约100微米的分辨率。

在一些示例中，热塑性聚合物粉末可以是无色的。例如，聚合物粉末可具有白色、半透明或透明外观。当与无色熔融油墨一起使用时，这样的聚合物粉末可提供白色、半透明或透明的打印部件。在其他示例中，聚合物粉末可被着色以产生有色部件。在还有其他示例中，当聚合物粉末是白色、半透明或透明的时，可通过熔融油墨或其他有色油墨赋予该部件颜色。

热塑性聚合物粉末可具有约70℃至约350℃的熔点或软化点。在另外的示例中，聚合物可具有约150℃至约200℃的熔点或软化点。可使用具有在这些范围内的熔点或软化点的各种热塑性聚合物。例如，聚合物粉末可选自由以下组成的组：尼龙6粉末、尼龙9粉末、尼龙11粉末、尼龙12粉末、尼龙66粉末、尼龙612粉末、聚乙烯粉末、热塑性聚氨酯粉末、聚丙烯粉末、聚酯粉末、聚碳酸酯粉末、聚醚酮粉末、聚丙烯酸酯粉末、聚苯乙烯粉末及其混合物。在具体示例中，聚合物粉末可以是尼龙12，其可具有约175℃至约200℃的熔点。在另一个具体示例中，聚合物粉末可以是热塑性聚氨酯。

在某些情况下，热塑性聚合物颗粒也可与填料混合。填料可包括无机颗粒，比如氧化铝、二氧化硅或其组合。当热塑性聚合物颗粒熔融在一起时，填料颗粒可嵌入聚合物中，形成复合材料。在一些示例中，填料可包括自由流动剂、抗结块剂等。这样的试剂可防止粉末颗粒的堆积，包覆粉末颗粒并使边缘光滑以减少颗粒间摩擦和/或吸收水分。在一些示例中，热塑性聚合物颗粒与填料颗粒的重量比可为10:1至1:2或5:1至1:1。

导电油墨可用于形成三维打印部件的部分，该部分将充当应变传感器中的电阻器。导电熔融油墨可包括过渡金属。当导电熔融油墨被打印到热塑性聚合物粉末层上时，导电油墨可渗透到粉末颗粒之间的空隙中。然后可通过将层暴露于电磁辐射来固化该层。导电熔融油墨可通过吸收来自电磁辐射的能量并将能量转换为热量来促进粉末颗粒的熔融。这使粉末的温度升高到热塑性聚合物的熔点或软化点以上。另外，在打印、固化或两者过程中，导电油墨中的过渡金属可形成与熔融的热塑性聚合物颗粒互锁的导电过渡金属基体。

在一些示例中，导电油墨中的过渡金属可以是元素过渡金属颗粒的形式。元素过渡金属颗粒可包括例如银颗粒、铜颗粒、金颗粒、铂颗粒、钯颗粒、铬颗粒、镍颗粒、锌颗粒或其组合。颗粒还可包括多于一种过渡金属的合金，比如Au-Ag、Ag-Cu、Ag-Ni、Au-Cu、Au-Ni、Au-Ag-Cu或Au-Ag-Pd。

在某些示例中，除了过渡金属之外，还可包括其他非过渡金属。非过渡金属可包括铅、锡、铋、铟、镓等等。在一些示例中，可包括焊接合金。焊接合金可包括各种组合的铅、锡、铋、铟、锌、镓、银、铜的合金。在某些示例中，这样的焊接合金可打印在将用作打印电气组件的焊接连接件的位置。焊接合金可配制成具有适用于焊接的低熔化温度，比如低于230℃。

在另外的示例中，元素过渡金属颗粒可以是平均粒径为10nm至200nm的纳米颗粒。在更具体的示例中，元素过渡金属颗粒可具有30nm至70nm的平均粒径。

随着金属颗粒尺寸的减小，颗粒能够被烧结的温度也可降低。因此，在导电熔融油墨中使用元素过渡金属纳米颗粒可允许颗粒在相对低的温度下烧结并形成烧结的纳米颗粒的导电基体。例如，导电熔融油墨中的元素过渡金属颗粒能够在三维打印过程中在固化期间达到的温度下或低于该温度下烧结。在另外的示例中，热塑性聚合物粉末床可在打印过程中加热到预热温度，并且元素过渡金属颗粒能够在预热温度下或低于预热温度下烧结。在又另外的示例中，元素过渡金属颗粒能够在20℃至350℃的温度下烧结。如本文使用的，元素过渡金属颗粒能够被烧结的温度是指颗粒将被烧结在一起，形成烧结的颗粒的导电基体的最低温度。应理解，高于该最低温度的温度也将导致颗粒烧结。

在导电熔融油墨的其他示例中，过渡金属可以是元素过渡金属颗粒的形式，该元素过渡金属颗粒通过颗粒表面处的分散剂被稳定化。分散剂可包括钝化颗粒表面的配体。合适的配体可包括与过渡金属结合的部分。这样的部分的示例可包括磺酸、膦酸、羧酸、二硫代羧酸、膦酸盐、磺酸盐、硫醇、羧酸盐、二硫代羧酸盐、胺等等。在一些情况下，分散剂可含有具有3-20个碳原子的烷基，其中上述部分中的一个位于烷基链的末端。在某些示例中，分散剂可以是烷基胺、烷基硫醇或其组合。在另外的示例中，分散剂可以是聚合物分散剂，比如聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)、聚甲基乙烯基醚、聚(丙烯酸)(PAA)、非离子表面活性剂、聚合螯合剂等等。分散剂可通过化学和/或物理连接结合到元素过渡金属颗粒的表面。化学键合可包括共价键、氢键、配位络合键、离子键或其组合。物理连接可包括通过范德瓦尔力、偶极-偶极相互作用或其组合的连接。

在另外的示例中，导电熔融油墨可包括金属盐或金属氧化物形式的过渡金属。在某些条件下，导电油墨中的过渡金属盐或金属氧化物在打印到热塑性聚合物粉末床上后可原位形成元素过渡金属颗粒。由此形成的元素过渡金属颗粒然后可烧结在一起以形成导电基体。在一些示例中，还原剂可与金属盐或金属氧化物反应以产生元素金属颗粒。在一个示例中，可在导电熔融油墨之前将还原剂底印到粉末床上。在另一个示例中，还原剂可加印在导电熔融油墨上。在任一情况下，还原剂可在热塑性聚合物颗粒层固化之前与金属盐或金属氧化物反应以形成元素金属颗粒。合适的还原剂可包括，例如，葡萄糖、果糖、麦芽糖、麦芽糖糊精、柠檬酸三钠、抗坏血酸、硼氢化钠、乙二醇、1,5-戊二醇、1,2-丙二醇等等。

导电熔融油墨中过渡金属的浓度可变化。然而，由于较大量的导电材料沉积在粉末床上，较高的过渡金属浓度可倾向于提供更好的导电性。在一些示例中，相对于导电熔融油墨的总重量，导电熔融油墨可含有约5wt％至约50wt％的过渡金属。在另外的示例中，相对于导电熔融油墨的总重量，导电熔融油墨可含有约10wt％至约30wt％的过渡金属。

在本技术的一些示例中，预处理油墨可与导电熔融油墨一起使用。预处理油墨可包括卤素盐，比如氯化钠或氯化钾。卤素盐可与过渡金属颗粒表面处的分散剂反应以将分散剂从颗粒中除去。这可增加金属颗粒之间的烧结并改善由烧结的颗粒形成的基体的导电性。可在导电熔融油墨之前将预处理油墨分配到粉末床上。当导电熔融油墨被打印在预处理油墨上时，过渡金属颗粒可与预处理油墨中的卤素盐接触。在可替换的示例中，聚合物粉末可在用于三维印刷系统之前用卤素盐预处理。当导电熔融油墨被打印到粉末床上时，导电熔融油墨中的过渡金属颗粒可与已经存在于粉末上的卤素盐接触。

在用于制造三维打印的应变传感器和具有集成应变传感器的部件的材料中也可并入第二熔融油墨。在一些示例中，第二熔融油墨可不含或基本上不含导电熔融油墨中含有的过渡金属。因此，当在热塑性聚合物粉末上打印时，第二熔融油墨可提供比导电熔融油墨更低的导电性。然而，在一些示例中，第二熔融油墨可包括金属颗粒，其提供比导电熔融油墨中的过渡金属更低的导电性。例如，第二熔融油墨可包括具有钝化表面(该钝化表面不烧结在一起)的金属颗粒以形成导电基体。

第二熔融油墨可含有另一种能够吸收电磁辐射以产生热量的熔融剂。熔融剂可以是有色的或无色的。在各种示例中，熔融剂可以是炭黑、近红外吸收染料、近红外吸收颜料、钨青铜、钼青铜、金属纳米颗粒或其组合。近红外吸收染料的示例包括铵染料、四芳基二胺染料、花青染料、酞菁染料、二硫纶染料等等。在另外的示例中，熔融剂可以是近红外吸收共轭聚合物，比如聚(3,4-乙撑二氧噻吩)-聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT:PSS)、聚噻吩、聚(对苯撑硫醚)、聚苯胺、聚(吡咯)、聚(乙炔)、聚(对苯撑乙烯)、聚对苯撑或其组合。如本文所使用的，“共轭”是指分子中原子之间的交替双键和单键。因此，“共轭聚合物”是指具有交替的双键和单键的主链的聚合物。在许多情况下，熔融剂可具有800nm至1400nm范围内的峰值吸收波长。

第二熔融油墨中的熔融剂的量可根据熔融剂的类型而变化。在一些示例中，第二熔融油墨中熔融剂的浓度可为0.1wt％至20wt％。在一个示例中，第二熔融油墨中熔融剂的浓度可为0.1wt％至15wt％。在另一个示例中，浓度可为0.1wt％至8wt％。在又一个示例中，浓度可为0.5wt％至2wt％。在特定示例中，浓度可为0.5wt％至1.2wt％。

在一些示例中，由于使用炭黑作为熔融剂，熔融油墨可具有黑色或灰色。然而，在其他示例中，熔融油墨可以是无色或几乎无色的。可调节熔融剂的浓度以提供熔融油墨，其中熔融油墨的可见颜色基本上不被熔融剂改变。尽管一些上述熔融剂在可见光范围内具有低吸光度，但吸光度一般大于零。因此，熔融剂通常可吸收一些可见光，但是它们在可见光谱中的颜色可足够小，以至于当添加着色剂时它不会显著影响油墨呈现另一种颜色的能力(不同于以灰色或黑色色调主导油墨颜色的炭黑)。浓缩形式的熔融剂可具有可见的颜色，但是可调节熔融油墨中熔融剂的浓度，使得熔融剂不会以如此高的量存在，从而它们改变熔融油墨的可见颜色。例如，与具有相对较高的可见光吸光度的熔融剂相比，可以以更高的浓度包括具有非常低的可见光波长吸光度的熔融剂。可根据具体应用用一些实验来调整这些浓度。

在另外的示例中，熔融剂的浓度可足够高以使熔融剂影响熔融油墨的颜色，但是足够低以至于当油墨被打印在热塑性聚合物粉末上时，熔融剂不会影响粉末的颜色。熔融剂的浓度可与要在聚合物粉末上打印的熔融油墨的量相平衡，使得打印到聚合物粉末上的熔融剂的总量足够低，以至于聚合物粉末的可见颜色没有受到影响。在一个示例中，熔融剂在熔融油墨中的浓度可使得在将熔融油墨打印到聚合物粉末上之后，聚合物粉末中的熔融剂的量相对于聚合物粉末的重量为0.0003wt％至5wt％。

熔融剂可具有足以使聚合物粉末的温度提高到高于聚合物粉末的熔点或软化点的升温能力。如本文所使用的，“升温能力”是指熔融剂将近红外光能转换成热能以提高打印的聚合物粉末的温度超过且高于聚合物粉末的未打印的部分的温度的能力。通常，当温度提高到聚合物的熔化或软化温度时，聚合物粉末颗粒可熔融在一起。如本文所使用的，“熔点”是指聚合物从结晶相转变为柔韧的无定形相的温度。一些聚合物不具有熔点，而是具有聚合物软化的温度范围。该范围可分成较低的软化范围、中间软化范围和较高的软化范围。在较低和中间软化范围内，颗粒可聚结形成一部分，而剩余的聚合物粉末保持松散。如果使用较高的软化范围，则整个粉末床可变成块状物。如本文所使用的，“软化点”是指聚合物颗粒聚结的温度，同时剩余的粉末保持分离和松散。当熔融油墨被打印在一部分聚合物粉末上时，熔融剂可将打印的部分加热到熔点或软化点或高于熔点或软化点的温度，而聚合物粉末的未打印的部分保持低于熔点或软化点。这允许形成固体3D打印部件，同时松散粉末可容易地与成品打印部件分离。

虽然熔点和软化点在本文中通常描述为聚结聚合物粉末的温度，但在某些情况下聚合物颗粒可在略低于熔点或软化点的温度下聚结在一起。因此，如本文所使用的，“熔点”和“软化点”可包括比实际熔点或软化点略低，比如低至多约20℃的温度。

在一个示例中，对于熔点或软化点为约100℃至约350℃的聚合物，熔融剂可具有约10℃至约70℃的升温能力。如果粉末床处于熔点或软化点的约10℃至约70℃的温度内，那么这样的熔融剂可将打印的粉末的温度升高到熔点或软化点，同时未打印的粉末保持在较低的温度。在一些示例中，粉末床可预热至比聚合物的熔点或软化点低约10℃至约70℃的温度。然后可将熔融油墨打印到粉末上，并且可用近红外光照射粉末床以聚结粉末的打印的部分。

在本技术的一些示例中，可使导电熔融油墨和第二熔融油墨平衡，使得用导电熔融油墨和第二熔融油墨打印的热塑性聚合物粉末在固化期间当暴露于光时达到几乎相同的温度。可选择第二熔融油墨中的熔融剂的类型和量以匹配导电熔融油墨中过渡金属的升温能力。还可调节导电熔融油墨中过渡金属的类型和量，以匹配第二熔融油墨中熔融剂的升温能力。另外，在一些示例中，导电熔融油墨可含有除过渡金属之外的另一种熔融剂。在某些示例中，导电熔融油墨和第二熔融油墨可在固化期间将热塑性聚合物粉末的温度升高至彼此之间30℃、20℃或10℃内的温度。

在另外的示例中，还可使用有色油墨用于向热塑性聚合物粉末添加颜色。这可允许打印全色三维部件。在一个示例中，除了导电熔融油墨、第二熔融油墨和预处理油墨(如果存在的话)之外，还可使用青色、品红色、黄色和黑色油墨。

导电熔融油墨、预处理油墨、第二熔融油墨和额外的有色油墨中的每一种可配制用于喷墨打印机。过渡金属和熔融剂在喷墨油墨载液中可以是稳定的，并且油墨可提供良好的喷墨性能。在一些示例中，过渡金属和熔融剂可以是水溶性的、水分散性的、有机可溶的或有机可分散的。过渡金属和熔融剂也可与热塑性聚合物粉末相容，使得将油墨喷射到聚合物粉末上提供了过渡金属和熔融剂充分地覆盖并内部渗透到粉末中。

任何上述油墨还可包括赋予油墨可见颜色的颜料或染料着色剂。在一些示例中，着色剂在油墨中的存在量可为0.5wt％至10wt％。在一个示例中，着色剂可以以1wt％至5wt％的量存在。在另一个示例中，着色剂可以以5wt％至10wt％的量存在。然而，着色剂是可选的，并且在一些示例中，油墨可不包括额外的着色剂。这些油墨可用于打印保留聚合物粉末的天然颜色的3D部件。另外，油墨可包括白色颜料，比如也可赋予最终打印部件白色的二氧化钛。也可使用其他无机颜料，比如氧化铝或氧化锌。

在一些示例中，着色剂可以是染料。染料可以是非离子染料、阳离子染料、阴离子染料或非离子染料、阳离子染料和/或阴离子染料的混合物。可使用的染料的具体示例包括但不限于可获自Sigma-Aldrich Chemical Company(St.Louis,Mo.)的磺酰罗丹明B、酸性蓝113、酸性蓝29、酸性红4、玫瑰红、酸性黄17、酸性黄29、酸性黄42、吖啶黄G、酸性黄23、酸性蓝9、氯化硝基四氮唑蓝一水合物或硝基BT、罗丹明6G、罗丹明123、罗丹明B、罗丹明B异氰酸酯、番红O、天青B和天青B曙红。阴离子水溶性染料的示例包括但不限于直接黄132、直接蓝199、品红377(可获自llford AG，Switzerland)，其单独或与酸性红52一起使用。水不溶性染料的示例包括偶氮染料、呫吨染料、次甲基染料、聚次甲基染料和蒽醌染料。水不溶性染料的具体示例包括可获自Ciba-Geigy Corp.的Blue GN、Pink和Yellow染料。黑色染料可包括但不限于直接黑154、直接黑168、坚固黑2、直接黑171、直接黑19、酸性黑1、酸性黑191、Mobay黑SP和酸性黑2。

在其他示例中，着色剂可以是颜料。颜料可用聚合物、低聚物或小分子自分散；或者可用单独的分散剂分散。合适的颜料包括但不限于以下可获自BASF的颜料：)Orange、Blue L 6901 F、)Blue NBD 7010、Blue K7090、Blue L 7101F、)Blue L 6470、)Green K 8683和Green L 9140。以下黑色颜料可获自Cabot：1400、1300、)1100、1000、)900、880、800和)700。以下颜料可获自CIBA：)Yellow 3G、)Yellow GR、)Yellow 8G、Yellow 5GT、Rubine 4BL、Magenta、Scarlet、Violet R、Red B和Violet Maroon B。以下颜料可获自Degussa：U、V、140U、140V、Color Black FW 200、Color Black FW 2、Color Black FW 2V、ColorBlack FW 1、Color Black FW 18、Color Black S 160、Color Black S 170、SpecialBlack 6、Special Black 5、Special Black 4A和Special Black 4。以下颜料可获自DuPont：)R-101。以下颜料可获自Heubach：YellowYT-858-D和Heucophthal Blue G XBT-583D。以下颜料可获自Clariant：Permanent Yellow GR、Permanent Yellow G、Permanent Yellow DHG、Permanent Yellow NCG-71、PermanentYellow GG、Hansa Yellow RA、Hansa Brilliant Yellow 5GX-02、Hansa Yellow-X、Yellow HR、Yellow FGL、Hansa Brilliant Yellow 10GX、Permanent Yellow G3R-01、Yellow H4G、Yellow H3G、Orange GR、Scarlet GO和Permanent Rubine F6B。以下颜料可获自Mobay：Magenta、Brilliant Scarlet、Red R6700、Red R6713和Violet。以下颜料可获自Sun Chemical：L74-1357Yellow、L75-1331Yellow和L75-2577Yellow。以下颜料可获自Columbian：7000、5750、5250、5000和3500。以下颜料可获自Sun Chemical：LHD9303Black。可使用任何其他可用于改变上述油墨的颜色和/或最终改变打印部件的颜色的颜料和/或染料。

着色剂可包括在导电熔融油墨和/或第二熔融油墨中，以当熔融油墨喷射到粉末床上时赋予打印物体颜色。可选地，可使用一组不同颜色的熔融油墨来打印多种颜色。例如，包括青色、品红色、黄色(和/或任何其他颜色)、无色、白色和/或黑色熔融油墨的任何组合的一组熔融油墨可用于以全色打印物体。可替换地或另外地，无色熔融油墨可与一组有色的非熔融油墨结合使用以赋予颜色。在一些示例中，可使用无色熔融油墨来聚结聚合物粉末，并且可使用不含有熔融剂的单独的一组彩色或黑色或白色油墨来赋予颜色。

可选择上述油墨的组分以赋予油墨良好的喷墨性能和以良好光学密度着色聚合物粉末的能力。除了上述过渡金属、熔融剂、着色剂和其他成分之外，油墨还可包括液体载液。在一些示例中，取决于喷射结构，液体载液配方可包括总共以1wt％至50wt％存在的水和一种或多种共溶剂。另外，可以可选地存在范围为0.01wt％至20wt％的一种或多种非离子、阳离子和/或阴离子表面活性剂。在一个示例中，表面活性剂可以以5wt％至20wt％的量存在。液体载液还可包括5wt％至20wt％的分散剂。配方的余量可以是纯净水或其他载液组分，比如杀生物剂、粘度调节剂、用于调节pH的材料、多价螯合剂、防腐剂等。在一个示例中，液体载液可主要是水。在一些示例中，水分散性或水溶性熔融剂可与水性载液一起使用。因为熔融剂可分散或可溶于水，所以不必要有机共溶剂来溶解熔融剂。因此，在一些示例中，油墨可基本上不含有机溶剂。然而，在其他示例中，共溶剂可用于帮助分散其他染料或颜料，或改善油墨的喷射性质。在又另外的示例中，非水性载液可与有机可溶或有机可分散的熔融剂一起使用。

在某些示例中，在油墨中可包括高沸点共溶剂。高沸点共溶剂可以是在高于打印期间粉末床温度的温度下沸腾的有机共溶剂。在一些示例中，高沸点共溶剂可具有高于250℃的沸点。在又另外的示例中，高沸点共溶剂可以以约1wt％至约4wt％的浓度存在于油墨中。

可使用的共溶剂的类别可包括有机共溶剂，包括脂族醇、芳族醇、二醇、二醇醚、聚二醇醚、己内酰胺、甲酰胺、乙酰胺和长链醇。这样的化合物的示例包括伯脂族醇、仲脂族醇、1,2-醇、1,3-醇、1,5-醇、乙二醇烷基醚、丙二醇烷基醚、聚乙二醇烷基醚的高级同系物(C₆-C₁₂)、N-烷基己内酰胺、未取代的己内酰胺、取代和未取代的甲酰胺、取代和未取代的乙酰胺等。可使用的溶剂的具体示例包括但不限于：2-吡咯烷酮、N-甲基吡咯烷酮、2-羟乙基-2-吡咯烷酮、2-甲基-1,3-丙二醇、四甘醇、1,6-己二醇、1,5-己二醇和1,5-戊二醇。

还可使用一种或多种表面活性剂，比如烷基聚环氧乙烷、烷基苯基聚环氧乙烷、聚环氧乙烷嵌段共聚物、乙炔聚环氧乙烷、聚环氧乙烷(二)酯、聚环氧乙烷胺、质子化聚环氧乙烷胺、质子化聚环氧乙烷酰胺、聚二甲基硅氧烷共聚醇、取代的氧化胺等。添加到本公开的配方中的表面活性剂的量的范围可为0.01wt％至20wt％。合适的表面活性剂可包括但不限于：脂质酯(liponic esters)，比如可获自Dow Chemical Company的Tergitol^TM 15-S-12、Tergitol^TM 15-S-7、LEG-1和LEG-7；Triton^TM X-100；可获自Dow Chemical Company的Triton^TM X-405；和十二烷基硫酸钠。

与本公开的配方一致，可采用各种其他添加剂来优化用于特定应用的油墨组合物的性质。这些添加剂的示例是为抑制有害微生物的生长而添加的添加剂。这些添加剂可以是常规地用于油墨配方的杀生物剂、杀真菌剂和其它微生物剂。合适的微生物剂的示例包括但不限于：(Nudex,Inc.)、UCARCIDE^TM(Union carbide Corp.)、(R.T.Vanderbilt Co.)、(ICI America)及其组合。

可包括螯合剂，比如EDTA(乙二胺四乙酸)，以消除重金属杂质的有害影响，并且可使用缓冲溶液来控制油墨的pH。例如，可使用0.01wt％至2wt％。还可存在粘度调节剂和缓冲剂，以及根据需要改变油墨性质的其他添加剂。这样的添加剂可以0.01wt％至20wt％存在。

在一个示例中，液体载液可包括如表1中所示的组分和量：

表1

在另一个示例中，液体载液可包括如表2中所示的组分和量：

表2

油墨组分	Wt(％)
		2-吡咯烷酮	50–99.9
来自Croda的Crodafos N3^TM表面活性剂	0.1-5

在又一个示例中，液体载液可包括如表3中所示的组分和量：

表3

在又一个示例中，液体载液可包括如表4中所示的组分和量：

表4

在另外的示例中，液体载液可包括如表5中所示的组分和量：

表5

在又一个示例中，液体载液可包括表6中示出的组分和量：

表6

油墨载液组分	Wt％
		乙二醇	65–96.9
乙醇	3-20
		异丙醇	0.1-15

应注意，表1至表6的液体载液配方仅以示例的方式提供，并且具有类似性质的其他配方同样可根据本技术配制。

本技术还扩展到制造具有集成应变传感器的三维打印部件的方法。该方法可使用上述任何材料。图5是制造具有集成应变传感器的三维打印部件的示例性方法500的流程图。该方法包括510将导电熔融油墨分配到热塑性聚合物颗粒层的第一区域上，其中导电熔融油墨包括过渡金属；520将第二熔融油墨分配到热塑性聚合物颗粒层的第二区域上，其中第二熔融油墨包括能够吸收电磁辐射以产生热量的熔融剂；以及530用电磁辐射将第一区域和第二区域熔融以在第一区域中形成电阻器并在第二区域中形成部件主体，其中电阻器包括与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的过渡金属颗粒的基体，并且部件主体包括熔融的热塑性聚合物颗粒。

在另外的示例中，制造具有集成应变传感器的三维打印部件的方法可包括将额外的油墨分配到热塑性聚合物颗粒上。例如，在分配导电熔融油墨之前，可将预处理油墨分配到聚合物颗粒上。预处理油墨可包括卤素盐(比如氯化钠或氯化钾)以将分散剂从导电熔融油墨中的过渡金属颗粒中除去。也可将有色油墨分配到聚合物颗粒上，来为打印部件提供可见的颜色。

在一些示例中，可通过喷墨来分配熔融油墨和其他油墨。这可通过热喷墨打印系统或压电喷墨打印系统来实施。也可使用将油墨分配到聚合物颗粒上的任何其他合适的方法。

在其他示例中，可使用粉末床三维打印系统进行本文所述的方法。在一个示例中，热塑性聚合物颗粒的床可通过从聚合物粉末供应体引入聚合物粉末并使用辊将粉末碾成薄层来形成。可使用喷墨打印头喷射导电熔融油墨和第二熔融油墨。打印的导电油墨的量可基于油墨中过渡金属的浓度、过渡金属的升温能力、所得到的待打印的导电复合材料的期望的导电性以及其他因素来调整。类似地，打印的第二熔融油墨的量可基于熔融剂的浓度、熔融剂的升温能力以及其他因素来调整。在一些示例中，打印的熔融油墨的量可足以使熔融剂与整个聚合物粉末层接触。例如，如果每层聚合物粉末为100微米厚，则熔融油墨可渗透至少100微米到聚合物粉末中。因此，熔融剂可加热遍及整个层的聚合物粉末，使得该层可聚结并结合到下面的层。在形成固体层之后，可通过降低粉末床或通过提高辊的高度并碾出新的粉末层来形成新的松散粉末层。

可将整个粉末床预热至低于聚合物粉末的熔点或软化点的温度。在一个示例中，预热温度可低于熔点或软化点约10℃至约30℃。在另一个示例中，预热温度可在熔点或软化点的50℃以内。在特定示例中，预热温度可为约160℃至约170℃，并且聚合物粉末可为尼龙12粉末。在另一个示例中，预热温度可为约90℃至约100℃，并且聚合物粉末可为热塑性聚氨酯。可用一个或多个灯、烘箱、加热的支撑床或其他类型的加热器来完成预热。在一些示例中，可将整个粉末床加热至基本上均匀的温度。

粉末床可用熔融灯照射。用于本文描述的方法的合适的熔融灯可包括商业可获得的红外灯和卤素灯。熔融灯可以是固定灯或移动灯。例如，灯可安装在轨道上以水平移动穿过粉末床。取决于聚结每个打印层所需的曝光量，这样的熔融灯可在床上进行多遍。熔融灯可配置成以基本上均匀的能量照射整个粉末床。这可选择性地用熔融油墨将打印的部分聚结，让聚合物粉末的未打印的部分低于熔点或软化点。

在一个示例中，熔融灯可与熔融油墨中的熔融剂匹配，使得熔融灯发射与熔融剂的峰值吸收波长匹配的光的波长。在特定近红外波长处具有窄峰的熔融剂可与大约在熔融剂的峰值波长处发射窄范围的波长的熔融灯一起使用。类似地，吸收宽范围近红外波长的熔融剂可与发射宽范围波长的熔融灯一起使用。以这样的方式匹配熔融剂和熔融灯可提高聚合物颗粒与打印在其上的熔融剂聚结的效率，同时未打印的聚合物颗粒不吸收同样多的光并保持在较低的温度。

取决于聚合物粉末中存在的熔融剂的量、熔融剂的吸光度、预热温度和聚合物的熔点或软化点，可从熔融灯供应适当的照射量。在一些示例中，熔融灯可每遍照射每层约0.5至约10秒。

在另外的示例中，制造具有集成应变传感器的三维打印部件的方法可包括将三维打印电阻器的电阻调节到期望的范围。如上所述，电阻器可具有其中熔融的热塑性聚合物颗粒的基体与烧结的过渡金属颗粒的基体互锁的导电复合材料的形式。可以用各种方式调节导电复合材料的电阻。例如，电阻可受到以下的影响：导电熔融油墨中过渡金属的类型、导电熔融油墨中过渡金属的浓度、分配到粉末床上的导电熔融油墨的量、电阻器的截面和长度等。当通过喷墨分配导电熔融油墨时，可通过改变打印速度、滴重、喷墨打印机中槽(油墨从其射出)的数量和每个粉末层打印的遍数来调节分配的导电熔融油墨的量。在某些示例中，导电复合材料元件可具有1欧姆至5兆欧姆的电阻。

通过将足够量的过渡金属分配到粉末床上可实现足够的导电性。在一些示例中，每体积导电复合材料的足够质量的过渡金属可用于实现导电性。例如，每体积导电复合材料的过渡金属质量可大于1mg/cm³、大于10mg/cm³、大于50mg/cm³或大于100mg/cm³。在特定示例中，每体积导电复合材料的过渡金属质量可大于140mg/cm³。在另外的示例中，每体积导电复合材料的过渡金属的质量可为1mg/cm³至1000mg/cm³、10mg/cm³至1000mg/cm³、50mg/cm³至500mg/cm³或100mg/cm³至500mg/cm³。

在某些示例中，在导电复合材料中，可分配较少量的过渡金属以获得表面导电性，并且可施加较大量的过渡金属以实现体积导电性。因此，在一些示例中，可在单层聚合物颗粒上打印较少量的导电熔融油墨，以形成在该层的表面上(即，在x-y平面上)具有导电性的电阻器。在一些示例中，在x-y平面上具有导电性的电阻器可形成为每体积导电复合材料的过渡金属质量大于1mg/cm³或大于10mg/cm³。在另外的示例中，这样的电阻器可形成为每体积导电复合材料的过渡金属质量为从1mg/cm³至1000mg/cm³、10mg/cm³至500mg/cm³或30mg/cm³至200mg/cm³。然而，这样的电阻器可能不具有在z轴方向上的足够的导电性，或者换句话说，可能不具有穿过该层的体积的足够的导电性。如本文所使用的，“z轴”是指与x-y平面正交的轴。例如，在使用在打印每层后降低的粉末床的三维打印方法中，粉末床在z轴方向上降低。

在一些示例中，仅在x-y平面上导电的电阻器可以是足够的。当电阻器平行于三维打印部件的层形成时就是这种情况。然而，根据本技术的方法也可用于打印在z轴方向上导电的电阻器。通过将较大量的导电熔融油墨分配到聚合物颗粒层上，导电油墨可渗透穿过该层，并且可实现在z轴方向上的层之间的导电性。在一些示例中，在z轴方向上导电的电阻器可形成为每体积导电复合材料的过渡金属质量大于50mg/cm³或大于100mg/cm³。在另外的示例中，这样的电阻器可形成为每体积导电复合材料的过渡金属质量为50mg/cm³至1000mg/cm³、100mg/cm³至1000mg/cm³或140mg/cm³至500mg/cm³。

在一些示例中，可通过多遍打印导电熔融油墨来调节分配到粉末床上的过渡金属的量。在一个示例中，喷墨打印头的单遍过程可足以分配足够的过渡金属以实现表面导电性。然而，在一些情况下，单遍过程不足以在z轴方向上实现导电性。可施加额外的过程以增加过渡金属复合材料中过渡金属的量。可使用足够的遍数来实现z轴方向上的导电性。在一个示例中，可使用三遍或更多遍过程来形成在z轴方向上具有导电性的导电复合材料。在另外的示例中，可通过电阻器设计或通过改变射出参数来调节喷墨打印头的滴重，来调节分配的过渡金属的量。因此，在较大的滴重下，对于每个射出的墨滴可打印更大量的导电熔融油墨。然而，在某些情况下，由于油墨扩散，在单遍过程中喷射太多量的油墨会导致较低的打印质量。因此，在一些示例中，可使用多遍过程来以更好的打印质量打印更多的导电熔融油墨。

在特定示例中，可如下形成三维打印部件。喷墨打印机可用于打印第一遍，包括将导电熔融油墨打印到粉末床的第一部分上，并将第二熔融油墨打印到粉末床的第二部分上。然后可经由使熔融灯在粉末床上通过来熔融聚合物颗粒并烧结导电固化油墨中的过渡金属颗粒来进行固化过程。然后，可进行将导电熔融油墨打印到粉末床的第一部分上的一遍或多遍额外的过程，以增加过渡金属的量。每遍打印导电熔融油墨之后，可用熔融灯进行固化过程。使用的遍数可取决于所需的电导率、打印过程的连续色调水平(指每遍过程每个区域沉积的油墨的密度)、导电熔融油墨中过渡金属的类型、导电熔融油墨中过渡金属的浓度、打印的聚合物粉末层的厚度等。

因此，本技术的方法可用于制造具有在任何方向上取向的集成应变传感器的三维打印部件。如上所述，可使用相对较少量的导电熔融油墨在关于三维打印部件的层的x-y平面上形成电阻器，同时在每层上可通过使用相对较大量的导电熔融油墨形成在z轴方向上取向的电阻器。在一个示例中，电阻器可至少部分地在关于三维打印部件的层的z轴方向上取向。如本文所使用的，“至少部分地在z轴方向上”是指在z轴上至少具有非零分量的任何方向。因此，电阻器可使用本文描述的方法平行于z轴或与z轴成斜线形成。

本文描述的三维打印方法可用于制造各种各样复杂的部件形状。作为集成应变传感器打印的电阻器可类似地具有各种各样的形状。在一些示例中，电阻器可具有蛇形形状，沿着电阻器的长度具有多匝。在某些情况下，增加电阻器的长度可增加总电阻，同时增加电阻器的匝数可改善应变传感器的灵敏度。也可使用其他电阻器形状。

三维打印部件也可用多个集成电阻器制成。例如，可包括多个电阻器以测量部件的多个部分上的应变。在另一个示例中，两个电阻器可放置在处于弯曲应力下的部件的相对侧上，使得通过应力一个电阻器可压缩而另一个电阻器可延伸。两个电阻器的测量值可用于提高应变传感器的灵敏度和准确度。

图6A-图6B示出了并入一些上述特征的三维打印部件600的示例。特别地，三维打印部件包括多个电阻器610、620，该多个电阻器610、620具有弯曲形状并且被打印为使得电阻器的部分在关于构成打印部件的层的z轴方向上取向。该部件包括嵌入部件中在部件的内弯曲表面630附近的第一电阻器610。第二电阻器620嵌入部件中在部件的外弯曲表面640附近。第一和第二电阻器连接到暴露在部件的表面处的电触点650。电触点可用于将电阻器连接到测量电路以测量电阻器的电阻变化。

应注意，如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”包括复数指代，除非上下文另有明确说明。

如本文所使用的，“液体载液”或“油墨载液”是指液体流体，其中放置着色剂以形成油墨。各种各样的油墨载液可与本公开的系统和方法一起使用。这样的油墨载液可包括各种不同试剂的混合物，该试剂包括表面活性剂、溶剂、共溶剂、抗结垢剂、缓冲剂、杀生物剂、多价螯合剂、粘度调节剂、表面活性剂、水等。虽然不是液体载液本身的一部分，但除了着色剂和熔融剂之外，液体载液还可携带固体添加剂，比如聚合物、胶乳、UV固化材料、增塑剂、盐等。

如本文所使用的，“着色剂”可包括染料和/或颜料。

如本文所使用的，“染料”是指吸收电磁辐射或其某些波长的化合物或分子。如果染料吸收可见光谱中的波长，则染料可赋予油墨可见的颜色。

如本文所使用的，“颜料”一般包括颜料着色剂、磁性颗粒、氧化铝、二氧化硅和/或其他陶瓷、有机金属或其他不透明颗粒，无论这样的颗粒是否赋予颜色。因此，尽管本说明书主要举例说明了颜料着色剂的使用，但术语“颜料”可更一般地用于描述不仅颜料着色剂，还有其它颜料，比如有机金属、铁氧体、陶瓷等。然而，在一个具体的方面，颜料是颜料着色剂。

如本文所使用的，“可溶的”是指溶解度百分比大于5wt％。

如本文所使用的，“喷墨”或“喷射”是指从喷射结构(比如喷墨结构)喷出的组合物。喷墨结构可包括热结构或压电结构。另外，这样的结构可配置成打印不同的液滴尺寸，比如小于10微微升、小于20微微升、小于30微微升、小于40微微升、小于50微微升等。

如本文所使用的，术语“基本上(substantial)”或“基本上(substantially)”当用于指材料的数量或含量或其特定特性时，是指足以提供材料或特性意图提供的效果的量。在某些情况下，允许的确切偏差程度取决于具体环境。

如本文所使用的，术语“约”用于通过提供给定值可“略高于”或“略低于”端点来为数值范围端点提供灵活性。该术语的灵活性程度可由特定变量决定，并基于本文的相关描述来确定。

如本文所使用的，为方便起见，多个项目、结构元件、组成元素和/或材料可在公共列表中呈现。然而，这些列表应该被解释为好像列表中的每个成员都被单独识别为独立且独特的成员一样。因此，在没有相反指示的情况下，此类清单中的任何个体成员不应仅仅基于它们在共同组中的出现而被解释为是同一列表中任何其他成员的事实上的等同物。

浓度、量和其他数值数据在本文中可以以范围形式表示或呈现。应理解，使用这样的范围形式仅仅为了方便和简洁，因而应当灵活地解释为不仅包括作为范围界限明确列举的数值，而且还包括包含在该范围内的所有单个数值或子范围，如同将每个数值和子范围明确地列举一样。作为示例，“约1wt％至约5wt％”的数值范围应当解释为不仅包括明确地列举的约1wt％至约5wt％的值，而且还包括所述范围内的单个值和子范围。因此，包括在该数值范围内的是比如2、3.5和4的单个值以及比如1-3、2-4和3-5等的子范围。同样的原理适用于仅列举一个数值的范围。此外，无论范围的广度或所描述的特征如何，都应该适用这样的解释。

实施例

以下示出了本公开的实施例。然而，应理解，以下仅是对本公开的原理的应用的说明。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可设计出许多修改和可替换的组合物、方法和系统。所附权利要求书旨在涵盖这样的修改和布置。

实施例1

使用三维打印系统来打印应变传感器，其具有嵌入矩形聚合物条中的蛇形电阻器。导电熔融油墨、预处理油墨和第二熔融油墨由三个单独的喷墨笔打印。导电熔融油墨是含有银纳米颗粒的银油墨(Mitsubishi NBSIJ-MU01)。银纳米颗粒的平均粒径为大约20nm。预处理油墨是3wt％氯化钠水溶液。第二熔融油墨包括作为熔融剂的炭黑和水性油墨载液。

将油墨喷射到尼龙(PA12)颗粒床上。尼龙颗粒的平均粒径为大约50μm。层厚度为大约100μm。每层用预处理油墨打印，然后在构成电阻器的部分中打印银油墨，并且在绝缘部分中打印炭黑熔融油墨。对于银油墨，油墨以255的连续色调水平打印，对于预处理油墨为255，对于炭黑油墨为15。每层实施3遍油墨。用油墨进行每遍过程后，实施固化过程。在该实施例中，分配到粉末上的固体银的量为141mg/cm³的粉末层；分配的氯化物盐的量为23mg/cm³的粉末层；并且分配的炭黑的量为2.3mg/cm³的粉末层。

打印机粉末供应体和粉末床填充有尼龙颗粒。供应体温度设定在110℃，并且打印床温度设定在130℃。打印床下方的加热器设定在150℃。打印速度设定为每秒10英寸(ips)，并且固化速度设定为7ips。使用放置在距离粉末床表面大约1cm的两个300W灯泡实施固化。

在单个粉末床上同时打印四个应变传感器。测试了四个应变传感器对变化的应变的敏感性。将测试引线夹在传感器上的电接触垫上，并用台式数字万用表测量它们的电阻。然后在使电阻器承受张力的方向上用手将传感器弯曲90度，并再次测量它们的电阻。然后将传感器弯曲回其原始形状并再次测量电阻。测量的电阻显示在下表7中。

表7

传感器#	R初始(欧姆)	R承受张力(欧姆)	R最终(欧姆)	％ΔR
					1	4650	5375	4601	15.6％
2	3750	4700	3820	25.3％
					3	1703	2098	1746	23.1％
4	3438	4780	3435	39％

当承受张力时，每个电阻器都显示出显著的电阻变化。此外，当恢复到其原始形状时，每个电阻器恢复到接近其原始电阻。这些特性使电阻器可用作可灵敏地重复测量应变的应变传感器。应注意，传感器1-4之间的电阻变化可能是由于在打印期间粉末床的不同区域中的温度变化引起的。

Claims

1.一种应变传感器，包括：

电阻器，所述电阻器由与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的元素过渡金属颗粒的基体形成；

在所述电阻器的第一端的第一电触点；以及

在所述电阻器的第二端的第二电触点。

2.如权利要求1所述的应变传感器，其中所述元素过渡金属颗粒包括银颗粒、铜颗粒、金颗粒或其组合。

3.如权利要求1所述的应变传感器，其中所述熔融的热塑性聚合物颗粒的基体包括熔融剂，所述熔融剂选自炭黑、近红外吸收染料、近红外吸收颜料、钨青铜、钼青铜、金属纳米颗粒、共轭聚合物或其组合。

4.如权利要求1所述的应变传感器，其中所述电阻器在所述烧结的元素过渡金属颗粒的基体中、所述熔融的热塑性聚合物颗粒的基体中或两者中进一步包括卤素盐。

5.如权利要求1所述的应变传感器，其中所述电阻器具有1欧姆至1兆欧姆的电阻。

6.一种具有集成应变传感器的三维打印部件，包括：

由熔融的热塑性聚合物颗粒形成的部件主体；以及

由与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的元素过渡金属颗粒的基体形成的电阻器，其中所述熔融的热塑性聚合物颗粒的基体被连续熔融至所述部件主体的所述熔融的热塑性聚合物颗粒。

7.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述元素过渡金属颗粒包括银颗粒、铜颗粒、金颗粒或其组合。

8.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述熔融的热塑性聚合物颗粒包括熔融剂，所述熔融剂选自炭黑、近红外吸收染料、近红外吸收颜料、钨青铜、钼青铜、金属纳米颗粒、共轭聚合物或其组合。

9.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述电阻器在所述烧结的元素过渡金属颗粒的基体中、所述熔融的热塑性聚合物颗粒的基体中或两者中进一步包括卤素盐。

10.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述电阻器具有1欧姆至1兆欧姆的电阻。

11.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述电阻器嵌入所述部件主体中。

12.如权利要求6所述的三维打印部件，其中所述部件由在z轴方向上堆叠的多层熔融的热塑性聚合物颗粒形成，并且其中所述电阻器至少部分地在z轴方向上取向。

13.一种制造具有集成应变传感器的三维打印部件的方法，所述方法包括：

将导电熔融油墨分配到热塑性聚合物颗粒层的第一区域上，其中所述导电熔融油墨包括过渡金属；

将第二熔融油墨分配到所述热塑性聚合物颗粒层的第二区域上，其中所述第二熔融油墨包括能够吸收电磁辐射以产生热量的熔融剂；以及

用电磁辐射将所述第一区域和所述第二区域熔融，以在所述第一区域中形成电阻器并在所述第二区域中形成部件主体，其中所述电阻器包括与熔融的热塑性聚合物颗粒的基体互锁的烧结的过渡金属颗粒的基体，并且所述部件主体包括熔融的热塑性聚合物颗粒。

14.如权利要求13所述的方法，其中，所述电阻器形成为至少部分地在z轴方向上取向，使得所述电阻器跨越所述三维打印部件的多个层延伸。

15.权利要求13所述的方法，其中所述过渡金属是元素过渡金属颗粒的形式。