综述：基于挤出式熔融沉积建模技术打印传感器和电极：材料、工艺参数及应用

这篇综述深入探讨了熔融沉积建模(FDM)技术在功能性传感器和电极制造中的应用，系统分析了导电热塑性材料的优势与局限，详细阐述了从预打印参数到后处理工艺的全流程优化策略，并展示了该技术在应变传感、生物电监测等领域的创新应用，为智能器件制造提供了重要参考。

　　

挤出式熔融沉积建模(FDM)技术正在革新功能性器件的制造方式。这项将热塑性材料逐层堆积的增材制造技术，通过与导电材料的创新结合，为传感器和电极的定制化生产开辟了新路径。

材料科学视角下的FDM创新

热塑性基材的选择直接影响器件性能。聚乳酸(PLA)以其优异的打印适性和生物相容性成为首选，其导电变体通过掺入碳黑(CB)等填料可实现10²-10⁶ Ω·cm的电阻率范围。丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)则凭借更高的机械强度，在需要耐冲击性的场景中表现突出。值得注意的是，热塑性聚氨酯(TPU)的弹性特质使其成为可穿戴设备的理想选择，其400%-700%的断裂伸长率远超其他材料。

导电填料的纳米级设计同样关键。碳纳米管(CNT)在1%-5%的添加量即可形成导电网络，而石墨烯纳米片(GNP)的二维结构能显著提升面内导电性。金属颗粒填料如铜粉可将电阻率降至0.006 Ω·cm，但存在打印头堵塞的风险。

工艺参数的精妙平衡

层厚参数在50-200 μm范围内的优化尤为关键。研究表明，将层厚从0.4 mm降至0.1 mm可使z轴导电性提升40%，这得益于增强的层间接触。填充密度同样重要，80%的填充率比20%时电阻降低近半。

打印速度需要与材料特性匹配：30-50 mm/s的速度区间能保证CB-PLA复合材料的均匀挤出，而过高的速度会导致填料分布不均。喷嘴直径的选取也充满智慧——0.4 mm喷嘴在分辨率和导电性间取得平衡，而0.2 mm喷嘴更适合精细电路制作。

后处理工艺的魔法

热退火处理能显著改善性能。对PLA基材料，110°C处理可促进填料重排，使导电通路更加完善。这种处理还能消除打印过程中的内应力，将传感器的温度系数(TCR)稳定性提升3倍以上。

传感器应用的突破

在压力传感领域，金字塔结构的TPU-CB传感器展现出6.3 kPa^-1的超高灵敏度。独特的指状电极设计使EEG传感器能穿透毛发，将接触阻抗控制在180 Ω以下。电化学传感器方面，石墨烯-PLA复合材料对SARS-CoV-2刺突蛋白的检测限达到0.9 pg/mL。

电极制造的革新

3D打印电极正重塑生物电监测。犬用ECG电极采用三叉设计穿透毛发，在1.56 kΩ阻抗下稳定工作。而用于汗液葡萄糖监测的环状传感器，通过与智能手机直连实现了实时监测。特别值得一提的是，采用回收PETG与碳纳米管复合的电极，既环保又保持了优异的电化学性能。

未来发展的关键挑战

各向异性导电问题仍是主要障碍，z轴导电性通常比xy平面低30%以上。湿度敏感性也不容忽视，吸湿后的PLA基材料电阻可增加20%。此外，多材料集成打印、纳米填料精准定向等前沿方向仍需突破。

这项技术正在打破传统制造的边界——从可穿戴健康监测到工业物联网传感，从即时诊断设备到环境监测网络，FDM制造的智能器件正在各个领域展现其独特价值。随着材料科学与工艺控制的持续进步，3D打印传感器和电极有望迎来更广阔的应用天地。