1. مقاييس إجهاد مطبوعة حسب الطلب
تؤدي مقاييس الإجهاد دورًا بالغ الأهمية في مراقبة الهياكل، والتكنولوجيا القابلة للارتداء، والروبوتات، والإلكترونيات المرنة. ورغم شيوع استخدام مقاييس الإجهاد التقليدية، إلا أنها مقيدة بالركائز الصلبة، وعمليات التجميع المعقدة، ومحدودية التخصيص. أما الإلكترونيات المطبوعة وأحبار الجسيمات النانوية الموصلة فتفتح آفاقًا أكثر مرونة: مستشعرات خفيفة الوزن مصنعة رقميًا ومُصممة خصيصًا لهندسة أو ركيزة أو تطبيق معين.
تستعرض هذه الورقة البحثية تطويرَ واختبارَ صحة مقاييس الإجهاد المطبوعة باستخدام أحبار جسيمات الفضة النانوية من نوفاسنتريكس. وتُبرز الأمثلة الواردة أدناه كلاً من التحقق الأكاديمي والتطبيق العملي.
- دراستان لجامعة لويزفيل [1], [2] عرض تقنية الطباعة النفاثة بالرذاذ مع شبيبة- A426، بما في ذلك تصميم المقياس، وتحسين التلبيد، وقياس عامل المقياس.
- إحدى الدراسات التي أجرتها جامعة تكساس في سان أنطونيو [3] مستعمل جيه إس-A102A، بينما أجرت جامعة نوفي ساد دراسة [4] استخدمت أحبار NovaCentrix المحسّنة للطباعة النفاثة للحبر لتصنيع أشكال هندسية متنوعة للمستشعرات بسرعة.
- تسلط دراستان إضافيتان الضوء على الأنظمة التطبيقية: روبوت دلتا مزود باستشعار إجهاد مدمج باستخدام جيه إس-بي25 بي [5] ومستشعر جلدي روبوتي يعمل باللمس باستخدام شبيبة- A426 [6].
2. مقدمة وخلفية
تقيس مقاييس الإجهاد التشوه الميكانيكي من خلال تتبع كيفية تغير مقاومة مسار موصل تحت تأثير الشد أو الضغط. ومع تمدد أو انكماش المسار الموصل، يتغير كل من شكل الموصل وبنيته المجهرية، مما ينتج عنه استجابة كهربائية قابلة للقياس.
لا تزال مقاييس الرقائق التقليدية فعالة، ولكنها تأتي أيضًا مع قيود حقيقية: اتفاقيات تركيب صارمة، وخطوات ربط لاصقة، وحرية هندسية محدودة، وتكاليف تصنيع إضافية عندما يحتاج التصميم إلى التغيير بسرعة.
تُحدث الإلكترونيات المطبوعة تغييرات في مجال التصميم. يمكن ترسيب الأحبار الموصلة مباشرة على ركائز مرنة، مما يتيح تغييرات هندسية على مستوى البرمجيات، وحلقات تكرار أكثر إحكامًا، وتصنيع أجهزة استشعار على مواد رقيقة أو متطابقة أو خاصة بالتطبيقات.
تقدم نوفاسنتريكس أنظمة متعددة لأحبار جسيمات الفضة النانوية، مصممة خصيصًا لأساليب الترسيب المختلفة، بدءًا من الطباعة النفاثة الهوائية الدقيقة وصولًا إلى عمليات الطباعة النفاثة الموجهة للإنتاج. هذه المواد المعتمدة هي ما يجعل الدراسات الواردة في هذه الصفحة ذات صلة بفرق الهندسة التي تنتقل من مرحلة التصميم إلى مرحلة التطبيق.
عامل القياس
مقياس حساسية القلب لأجهزة قياس الإجهاد
في ΔR هو التغير في المقاومة، R هي المقاومة الأصلية، و ε يمثل الإجهاد المطبق. يشير عامل القياس الأكبر إلى حساسية أعلى.
مجموعة المرجعية
3. أحبار نوفا سنتريكس لمقاييس الإجهاد
صُممت أحبار نوفا سنتريكس الموصلة خصيصًا للترسيب الرقمي والمعالجة اللاحقة للطباعة، مما يدعم التصنيع المتقدم لأجهزة الاستشعار المطبوعة. وقد تم بالفعل التحقق من صحة العديد من أحبار جسيمات الفضة النانوية لتطبيقات قياس الإجهاد عبر عمليات الطباعة النفاثة الهوائية والطباعة النفاثة للحبر.
ميتالون® شبيبة- A426
حبر جسيمات الفضة النانوية المُحسَّن بتقنية الطباعة النفاثة المتقدمة (AJP) للطباعة الدقيقة على ركائز مرنة تشمل البولي إيميد (كابتون) والبولي إيثيلين تيريفثالات (PET). تم التحقق من صحته للاستخدام في أجهزة الاستشعار اللمسية، والجلود الروبوتية، وأجهزة القياس الهيكلية.
عرض JS-A426ميتالون® جيه إس-A102A
حبر فضي لطباعة Dimatix بتقنية نفث الحبر عند الطلب. يتيح سرعة إنجاز طباعة أشكال هندسية متنوعة للمستشعرات على مادة الكابتون، ويصل إلى مقاومة منخفضة بعد عملية تلبيد متدرجة في درجة حرارة منخفضة.
عرض JS-A102Aميتالون® جيه إس-بي25 بي
حبر جسيمات الفضة النانوية لأنظمة الطباعة النافثة للحبر الاحترافية والمكتبية. يُستخدم في تطبيقات استشعار مفاصل روبوت دلتا أوريغامي، ويتميز بقوة التصاق عالية على مادة البولي إيثيلين تيريفثالات (PET).
عرض JS-B25Pميتالون® JS-B25HV و JS-B15P
تم التحقق من صحة أحبار الطباعة النافثة للحبر على البوليميد و PET عبر الأنظمة الاحترافية والمكتبية، مع قيم عامل القياس بين 1.58 و 2.03 اعتمادًا على الركيزة وعدد الطبقات.
تصفح أحبار الطابعات النافثة للحبر4. دراسات حالة: مقاييس الإجهاد المطبوعة باستخدام أحبار نوفاسنتريكس
4.1 JS-A426 عبر الطباعة النفاثة الهوائية - جامعة لويفيل [1], [2]
أظهرت دراستان من جامعة لويفيل استخدام شبيبة- A426 باستخدام الطباعة النفاثة الهوائية لتصنيع مقاييس إجهاد مخصصة على مادة الكابتون. أضاف الإصدار اللاحق لعام 2023 نموذجًا للتنبؤ بالتوصيلية مرتبطًا بظروف التلبيد، مما يحسن التحكم في العملية ويقلل من التجربة والخطأ في ظروف الطباعة الجديدة.
النتائج الرئيسية
نتائج تمثيلية لدراسات نفث الهباء الجوي JS-A426.
| طابعة | طابعة نفث الرذاذ من أوبتوميك |
|---|---|
| عرض الخط | 50 إلى 60 ميكرومتر |
| نافذة التلبيد | 200 إلى 240 درجة مئوية لمدة 18 إلى 24 ساعة |
| الموصلية | حوالي 7.05 × 106 S / م |
| عامل القياس | 1.85 (2021) و 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 للاستشعار اللمسي على الركائز المرنة
هذا العمل امتداد شبيبة- A426 تم دمج مستشعر لمسي على شكل نجمة في مادة PDMS لجلد الروبوتات. وبعد حوالي 5,000 دورة، حافظ المستشعر على سلوك متكرر بمعامل قياس يقارب 1.85، مما يدل على متانته في ظروف الروبوتات المرنة الديناميكية. [6]
4.2 JS-A102A عبر تقنية الطباعة النافثة للحبر عند الطلب - جامعة تكساس في سان أنطونيو [3]
استخدمت دراسة جامعة تكساس في سان أنطونيو جيه إس-A102A باستخدام نظام Dimatix للطباعة عند الطلب، تم استكشاف إمكانية تصنيع أجهزة استشعار سريعة. طُبعت أشكال هندسية متعددة على مادة الكابتون، مما أنتج مقاومات تتراوح بين 2.3 و7.2 أوم بعد عملية تلبيد متدرجة عند 50 درجة مئوية و150 درجة مئوية. والنتيجة مثالٌ قوي على النماذج الأولية سريعة التنفيذ ذات الأداء الكهربائي المتسق.
4.3 JS-B25HV و JS-B15P عبر الطباعة النافثة للحبر - جامعة نوفي ساد [4]
قارن الباحثون مقاييس الإجهاد المطبوعة بتقنية نفث الحبر باستخدام أحبار NovaCentrix الفضية على أنظمة الطباعة الاحترافية والمكتبية. على البولي إيميد والبولي إيثيلين تيريفثالات (PET)، حققت المقاييس المطبوعة قيمًا لمعامل القياس تتراوح بين 1.58 و2.03 اعتمادًا على الركيزة ونوع الحبر وعدد الطبقات، مع الحفاظ على استقرار جيد على المدى القصير وانحراف طفيف فقط على المدى الطويل.
5. تطبيقات العالم الحقيقي
روبوت دلتا قائم على فن الأوريغامي
قام فريق في جامعة إسطنبول التقنية بدمج مقاييس الإجهاد المطبوعة باستخدام جيه إس-بي25 بي إلى روبوت دلتا قابل للطي. [5] تمت طباعة المستشعرات على مادة PET وتضمينها في مفاصل الأوريغامي لقياس الزاوية، حيث نجحت في تتبع الحركة من 0° إلى 90° من خلال تغيير المقاومة وتمكين التغذية الراجعة التناظرية للتحكم الروبوتي خفيف الوزن.
الاستشعار اللمسي في الجلود الروبوتية
مقياس إجهاد على شكل نجمة يستخدم شبيبة- A426 تمت طباعته على مادة الكابتون المرنة وتم تضمينه في مادة PDMS ليعمل كمستشعر جلدي للمس. [6] أظهر المستشعر استجابة خطية وقابلة للتكرار في ظل مدخلات جيبية ومدخلات متدرجة، مما يجعله مناسبًا تمامًا للتغذية الراجعة اللمسية وتكامل الروبوتات اللينة.
6. ملخص وتوقعات
أثبتت أحبار نوفاسنتريكس النانوية الفضية، في الدراسات الأكاديمية والتطبيقية، فعاليتها في تصنيع مقاييس إجهاد مرنة عالية الأداء باستخدام عمليات طباعة رقمية متعددة. وتدعم هذه المنصة، بدءًا من الطباعة النفاثة الهوائية وصولًا إلى الطباعة النفاثة للحبر، ومن الكابتون إلى البولي إيثيلين تيريفثالات، توصيلًا موثوقًا، وأداءً متكررًا لمعامل القياس، وإمكانية دمجها في أنظمة الروبوتات العاملة.
إن القدرة على تخصيص الهندسة، والطباعة مباشرة على الركائز المرنة، والعمل مع أجهزة الترسيب المتاحة نسبيًا تجعل هذه المواد مفيدة بشكل خاص للنماذج الأولية السريعة، والأجهزة القابلة للارتداء، ومراقبة السلامة الهيكلية، والروبوتات اللينة.
تشمل محفظة المواد الأوسع نطاقًا ونظام العمليات المتكامل لشركة NovaCentrix دعم المعالجة منخفضة التكلفة الحرارية من خلال بولسفورجيوفر مسارًا عمليًا من التحقق من صحة البحث إلى التصنيع القابل للتوسع.
التوجهات المستقبلية
- استخدم التلبيد الضوئي لتطبيقات الميزانية الحرارية المنخفضة للغاية والركائز الحساسة للحرارة.
- قم بدمج استشعار الإجهاد مع الوظائف المجاورة مثل درجة الحرارة أو الضغط أو الاستجابة اللمسية.
- قم بتطوير مكتبات هندسة المستشعرات المعتمدة لتسريع عملية النشر من قبل مصنعي المعدات الأصلية والباحثين.
7. مراجع حسابات
-
[1]
راتناياكي وآخرون. مقاييس الإجهاد المطبوعة بتقنية نفث الرذاذ باستخدام حبر جسيمات الفضة النانوية. مؤتمر IEEE للإلكترونيات المرنة وأجهزة الاستشعار (FLEPS) 2021.
المصدر المفتوح -
[2]
راتناياكي وآخرون. التنبؤ بالتوصيلية لأحبار جسيمات الفضة النانوية المطبوعة بتقنية نفث الرذاذ. مجلة IEEE للإلكترونيات المرنة. 2023.
المصدر المفتوح -
[3]
ديبون وآخرون. الطباعة النفاثة للحبر عند الطلب لمقاييس الإجهاد باستخدام حبر الفضة. المواد الكهروضوئية 2023.
المصدر المفتوح -
[4]
زليبيتش وآخرون. تحليل أداء مقاييس الإجهاد المطبوعة بتقنية نفث الحبر على ركائز مرنة. فاكتا يونيفيرسال، سلسلة الإلكترونيات والطاقة. 2016.
المصدر المفتوح -
[5]
كلافات. روبوت دلتا قائم على فن الأوريغامي مع مقاييس إجهاد مطبوعة مدمجة. مجلة هيتيت للعلوم والهندسة 2022.
المصدر المفتوح -
[6]
أولوو وآخرون. مستشعر إجهاد مطبوع بتقنية نفث الرذاذ على شكل نجمة للجلد اللمسي الروبوتي. مجلة IEEE للإلكترونيات المرنة. 2023.
المصدر المفتوح
مصدر الصورة: رسم توضيحي لمقياس الإجهاد مقتبس من مصدر الشكل المستخدم حاليًا في هذه الصفحة، والمُنسب إلى CC BY-SA 2.5. الرجوع الى الأعلى
