材料挤出增材制造的电导体与焦耳加热结构设计指南

《Proceedings of the Design Society》：Design guidelines for electrical conductors and Joule-heating structures fabricated additively by material extrusion

　　

增材制造（Additive Manufacturing, AM）通过多材料策略实现材料性能的局部调控，尤其是材料挤出（Material Extrusion, MEX）技术。导电聚合物复合材料（Conductive Polymer Composites, CPC）可用于实现导体、焦耳加热结构及其过渡结构等导电结构。然而，针对上述结构的特定增材制造设计（Design for Additive Manufacturing, DfAM）指南仍然缺乏。本研究通过热成像和电阻率测量获得的实验数据，推导出十二条设计规则，并将其应用于一个应用示例中。

### **论文解读：材料挤出增材制造的电导体与焦耳加热结构设计指南**

#### **一、 研究背景与问题**

增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，特别是材料挤出（Material Extrusion, MEX），为产品设计提供了前所未有的自由度，能够实现功能集成、复杂几何形状和层次结构。其中，利用导电聚合物复合材料（Conductive Polymer Composites, CPC）制造导电结构，如电流传输导体和焦耳加热元件，是当前的研究热点。然而，现有研究多集中于材料和工艺本身（如填充物、加工参数），而针对基本导电结构设计原则如何影响最终产品性能的系统性研究尚不充分。

具体而言，目前缺乏针对三类相互关联结构的基础增材制造设计指南：1）低损耗导体；2）具有空间可控、均匀发热的加热元件；3）能够抑制局部过热的过渡结构。这一知识空白限制了通过增材制造技术实现高性能、高可靠性电气功能部件的进一步发展。因此，研究人员旨在通过系统的实验研究，填补这一空白，为基于材料挤出的电功能结构建立标准化的设计基础。

#### **二、 研究方法概述**

研究人员开展了一系列系统性的实验研究，以探究几何因素对导电结构性能的影响，并最终推导出设计指南。主要技术方法包括：

1. **样本制备与材料选择**：研究使用了九种不同的导电聚合物复合材料（如Multi3d Electrifi、Koltron G1、Alfaohm等），涵盖了多种聚合物基体（如聚己内酯、聚乳酸、热塑性聚氨酯）和导电填料（如铜颗粒、石墨烯、碳纳米管）。所有试样均使用配备工具头交换系统和硬化涂层的400 μm喷嘴的增材制造设备，在恒定的工艺参数下制备，层高设定为喷嘴直径的50%。为最小化接触电阻，使用了胶体银浆或导电环氧树脂作为电极连接剂。
2. **实验测试平台**：研究人员构建了一个集成了电阻测量和热成像分析的测试平台。电阻测量依据标准采用四线法，使用Keithley 2460源表在恒定电流下进行。电阻率通过测量电阻、导电截面积和长度计算得出。电流密度均匀性通过定性热成像分析进行评估，使用TIM 640热像仪记录在施加恒定功率后特定延迟时间下的温度分布图像，高热区域对应高电流密度。
3. **系统性的设计变量探索**：研究设计了多组实验，分别探究了不同几何因素对性能的影响，包括：并联股线数量对电阻率的影响；导体路径几何（如不连续路径的偏转角、圆角/倒角半径，以及连续贝塞尔样条路径的纵横比和控制点位置）对电流密度均匀性的影响；加热结构的不同设计概念（如微观/介观/宏观尺度路径规划、截面尺寸变化、蜿蜒路径）对发热均匀性的影响；以及从导体到加热器的过渡结构设计对抑制局部过热的效果。

#### **三、 研究结果与结论**

**3.1 并联股线数量对电阻率的影响**
实验发现，对于所有测试的复合材料，单股导线的电阻率最低。随着并联股线数量的增加，电阻率首先上升，然后趋于稳定或继续上升，且数据的变异性也随之增大。这表明，简单地增加并联路径并不总能降低电阻，反而可能因股线间的接触电阻等因素导致性能下降。其中，Alfaohm材料在较高导电性和较低方差方面表现突出，因此被选为后续实验的材料。

**3.2 导体设计对电流密度均匀性的影响**
研究考察了不连续路径（带圆角或倒角修改）和连续贝塞尔样条路径。
* **不连续路径**：
* **偏转角**：更大的偏转角（θ）会在导体内侧边缘产生更显著的局部过热（热点），并在外侧对应产生低温区（冷点）。
* **圆角修改**：增大圆角半径（R）能有效降低热点强度，并将高温区域分散到更大面积上，表明局部电流密度降低。
* **倒角修改**：倒角也能减少热点，但其效果弱于圆角。即使使用较大的倒角长度，仍会存在明显的热点，且热点区域在轨迹宽度上延伸更广。
* **连续贝塞尔样条路径**：基于样条的导体在视觉上比不连续布局更均匀。然而，热点特性与具有可比局部梯度的不连续路径相似。样条路径的主要优势在于其鲁棒性和易用性：它可以根据定义的起点和终点自动生成，对尺寸变化不敏感，减少了对几何参数进行专家级调优的需求。

**3.3 加热结构的设计**
研究探索了多种通过几何设计调控发热的方法：
* **微观尺度**：通过将股线紧密排列来提高整体电阻，实现局部化、均匀的加热。
* **介观尺度**：故意中断单股线，迫使电流通过股线间的接触界面，利用接触电阻发热。其加热均匀性略低于板状参考加热器。
* **宏观尺度**：通过开槽分离较大的股线束，迫使电流穿过与股线方向垂直的填充图案（具有更高电阻率），能在目标区域产生加热，但槽边缘容易出现热点。
* **截面变化**：在构建方向（Z轴）上阶梯式减小截面高度，能实现最精确的热量局部化；在水平面（XY平面）上连续减小截面宽度，会产生更弥散的边缘加热。
* **蜿蜒路径**：通过增加有效导体长度来提高电阻。

**3.4 过渡结构的设计**
研究比较了多种实现从紧凑导体到宽大加热器平滑过渡的设计概念：
* **简单加宽**：将导体直接加宽至加热器宽度，作为参考。
* **恒定截面**：通过改变股线宽度和高度保持总截面积不变，显著降低了导体和过渡区域的损耗和温度。
* **扇形展开**：将股线等距展开，并填充间隙，能产生更均匀的加热器电流密度，其中对称和长度平衡的布局效果更佳。
* **直接接触**：将增材制造的加热器直接打印在传统导体上，由于传统导体导电性高，损耗主要发生在界面处，而打印的加热器则表现出高度均匀的温度分布。

**3.5 设计指南的推导**
基于上述实验结果，研究人员总结归纳了十二条增材制造设计指南，并将其分为四类：通用建议、导体设计指南、加热结构设计指南和过渡结构设计指南。这些指南涵盖了从材料选择、几何平滑度、路径规划到过渡设计的各个方面。研究人员指出，某些指南之间存在内在冲突（例如，使用多股并联路径提高可靠性与减少并联股数以降低电阻率），因此在实际设计中需要根据具体设计目标仔细权衡。

**3.6 应用示例**
作为概念验证，研究人员为一个非加热后视镜设计并集成了一个增材制造的背面加热结构。设计采用了蜿蜒形状的加热器以适应不规则背面，并通过扇形展开过渡连接主导体。热成像验证了加热的均匀性，成功演示了将设计指南应用于实际工程问题的可行性。

#### **四、 讨论与总结**

本研究通过系统的实验探索，首次为基于材料挤出技术制造的导体、焦耳加热结构及其过渡结构建立了基础性的设计指南。主要结论包括：
* **并联股线对电阻率的影响**：并联放置的股线数量会影响电阻率，且这种影响在达到一定阈值后趋于稳定，具体取决于所用复合材料。
* **导体路径优化**：几何平滑性，如使用样条或大半径圆角，被证明能有效减少局部热点并促进均匀的电流分布。
* **加热结构设计**：加热元件的设计需要在结构尺寸和电流路径长度之间取得平衡，连续、平滑变化的路径能产生更均匀的热分布。
* **过渡结构设计**：通过引入渐变的宽度变化和优化的路径规划，可以成功实现从紧凑导电路径到更宽加热结构的过渡，并显著减少热应力集中（热点）。

这些发现为基于材料挤出的导电功能部件的设计规则迈出了第一步，支持将功能材料进一步集成到增材制造系统中。论文发表于《Proceedings of the Design Society》。