[发明专利]一种基于3D打印技术制作的螺旋状摩擦发电装置

说明书

本发明公开了一种基于3D打印技术制作的螺旋状摩擦发电装置，包括基于3D打印技术制作的螺旋扁平弹簧状弹性基底及粘附于弹性基底上下两侧由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得gcode程序代码，最后将gcode程序代码导入到3D打印机中进行打印制作形成螺旋扁平弹簧状弹性基底。本发明制作工序简单、结构稳定且成本低廉。

技术领域

本发明属于摩擦发电装置技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术制作的螺旋状摩擦发电装置。

背景技术

摩擦纳米发电机，作为一种能量收集与转换技术，其基本原理是基于摩擦起电效应和静电感应耦合的，自2012年被王中林教授团队发明以来，因其可实现对自然界几乎所有形式机械能的收集并且转换为电能而被广泛关注，如风能、水流势能、人体运动及机械振动等，且因其能量转换效率高、制作成本低等优势已较为成熟地应用在各种自驱动传感器、电化学反应、能量存储等系统。被认为是可以替代电池实现自驱动供能最具有前景的技术方案之一。

摩擦纳米发电机的使用往往需要结合其应用环境定制设计不同的结构，而且优化设计的结构能够提升和调控摩擦纳米发电机的输出特性。而传统的减材制造由于在加工工艺上的一些限制，在加工一些结构较为复杂的零部件时，往往对工艺要求较高，并且成本高昂，甚至无法完成加工。并且现有的摩擦纳米发电机仍存在一些不足之处，如结构个性化程度低、制作成本高昂、输出效率低等，使用传统的制造方法来制作摩擦纳米发电机在一定程度上束缚了摩擦纳米发电机的发展和推广应用。

3D打印技术作为一种快速成型技术，它以数字化的模型文件为基础，以逐层二维打印堆积的方式来构造零件，基本可以实现任意复杂结构模型的加工制作，因其在模型加工制作方面独特的优势已被广泛应用在医疗、航空航天、考古、教育、科学研究等诸多领域，并且逐步发挥着无可替代的作用。将3D打印与摩擦纳米发电机的设计制作相结合，为制作各种具有个性化结构的摩擦纳米发电机提供了可行性方案，并且随着可打印材料的不断扩充，以及桌面级打印机的普及，这无疑助推了摩擦纳米发电机的进一步推广应用。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供了一种制作工序简单、结构稳定且成本低廉的基于3D打印技术制作的螺旋状摩擦发电装置，该摩擦发电装置将螺旋扁平弹簧状弹性基底与摩擦发电技术相结合实现对人体运动、振动等多种形式机械能的收集，而用3D打印技术制作螺旋扁平弹簧状弹性基底能够较为容易实现这种复杂结构部件的加工制作。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种基于3D打印技术制作的螺旋状摩擦发电装置，其特征在于包括基于3D打印技术制作的螺旋扁平弹簧状弹性基底及粘附于弹性基底上下两侧由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得gcode程序代码，最后将gcode程序代码导入到3D打印机中进行打印制作形成螺旋扁平弹簧状弹性基底，该弹性基底在使用熔融沉积式3D打印机打印制作时其填充率和厚度应保证具有足够的弹性和机械强度，螺旋扁平弹簧状弹性基底上下两侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元包括粘附于弹性基底一侧的背电极和粘附于背电极上的第一摩擦层或者包括粘附于弹性基底一侧的第一摩擦层，第二摩擦单元包括粘附于弹性基底另一侧的背电极及粘附于背电极上的第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层相对设置且结构一致。

优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层是两种介电常数相差较大的薄膜材料，由于两种材料对电子的束缚能力不同，所以当第一摩擦层与第二摩擦层接触时，对电子束缚能力较强的材料摩擦后表面聚集大量负电荷，对电子束缚能力较弱的材料因失去电子而聚集大量正电荷，致使第一摩擦层与第二摩擦层对应的背电极之间存在电势差，当连通两电极时为了达到电势平衡而产生电流。

优选的，所述螺旋扁平弹簧状弹性基底的打印材料选用机械性能和物理性能均良好的聚乳酸或ABS制得，选用的3D打印设备是基于熔融沉积式3D打印设备。