1. Brugerdefinerede trykte strain gauges
Tøjningsmålere spiller en afgørende rolle i strukturel overvågning, bærbar teknologi, robotteknologi og fleksibel elektronik. Traditionelle tøjningsmålere er, selvom de er meget udbredte, begrænset af stive substrater, komplekse samleprocesser og begrænset tilpasning. Trykt elektronik og ledende nanopartikelblæk åbner en mere fleksibel vej: lette, digitalt fremstillede sensorer, der er indstillet til en specifik geometri, substrat eller applikation.
Denne hvidbog gennemgår udviklingen og valideringen af trykte strain gauges ved hjælp af NovaCentrix sølvnanopartikelblæk. Eksemplerne nedenfor fremhæver både akademisk validering og applikationsdrevet implementering.
- To studier fra University of Louisville [1], [2] demonstrer aerosolstråleprintning med JS-A426, herunder gaugedesign, sintringsoptimering og måling af gaugefaktor.
- En undersøgelse fra University of Texas i San Antonio [3] anvendte JS-A102A, mens en undersøgelse fra Novi Sad Universitet [4] brugte inkjet-optimerede NovaCentrix-blæk til hurtigt at fremstille forskellige sensorgeometrier.
- To yderligere studier fremhæver anvendte systemer: en deltarobot med indlejret belastningsregistrering ved hjælp af JS-B25P [5] og en taktil robothudsensor ved hjælp af JS-A426 [6].
2. Introduktion og baggrund
Tøjningsmålere måler mekanisk deformation ved at spore, hvordan et ledende spor ændrer modstand under spænding eller kompression. Når den ledende bane strækker sig eller trækker sig sammen, forskydes både lederens geometri og den underliggende mikrostruktur, hvilket producerer en målbar elektrisk respons.
Traditionelle foliemålere er stadig effektive, men de kommer også med reelle begrænsninger: stive monteringskonventioner, klæbetrin, begrænset geometrisk frihed og produktionsomkostninger, når et design skal ændres hurtigt.
Trykt elektronik ændrer designmulighederne. Ledende blæk kan aflejres direkte på fleksible substrater, hvilket muliggør ændringer i softwaregeometri, strammere iterationsløkker og sensorfremstilling på tynde, konforme eller applikationsspecifikke materialer.
NovaCentrix tilbyder adskillige sølvnanopartikelblæksystemer, der er tilpasset forskellige aflejringsmetoder, fra fineline-aerosoljetprintning til produktionsorienterede inkjet-arbejdsgange. Det er disse validerede materialer, der gør studierne på denne side relevante for ingeniørteams, der går fra koncept til implementering.
Målefaktor
Kernefølsomhedsmåling for strain gauges
Hvor AR er ændringen i modstand, R er den oprindelige modstand, og ε er den påførte belastning. En større gaugefaktor indikerer højere følsomhed.
Referenceområde
3. NovaCentrix-blæk til strain gauges
NovaCentrix ledende blæk er konstrueret til digital aflejring og efterbehandling, hvilket understøtter avanceret fremstilling af printede sensorer. Adskillige sølvnanopartikelblæktyper er allerede blevet valideret til strain-gauge-applikationer på tværs af aerosoljet- og inkjet-arbejdsgange.
Metalon® JS-A426
AJP-optimeret sølvnanopartikelblæk til finelinetryk på fleksible substrater, herunder PI (Kapton) og PET. Valideret til taktile sensorer, robotskind og strukturelle målere.
Se JS-A426Metalon® JS-A102A
Sølvblæk til Dimatix drop-on-demand inkjetprint. Muliggør hurtig ekspeditionstid af forskellige sensorgeometrier på Kapton og opnår lav modstand efter trinvis lavtemperatursintring.
Se JS-A102AMetalon® JS-B25P
Sølvnanopartikelblæk til professionelle og stationære inkjetsystemer. Anvendes i delta-robotten origami-ledfølerapplikationen med stærk vedhæftning på PET.
Se JS-B25PMetalon® JS-B25HV og JS-B15P
Inkjet-blæk valideret på polyimid og PET på tværs af professionelle og stationære systemer, med gaugefaktorværdier mellem 1.58 og 2.03 afhængigt af substrat og lagantal.
Gennemse inkjetblæk4. Casestudier: Trykte strain gauges med NovaCentrix-blæk
4.1 JS-A426 via aerosolstråleudskrivning - University of Louisville [1], [2]
To studier fra University of Louisville viste brugen af JS-A426 med aerosolstråletrykning til at fremstille brugerdefinerede strain gauges på Kapton. Opfølgningen fra 2023 tilføjede en ledningsevneforudsigelsesmodel knyttet til sintringsforhold, hvilket forbedrede proceskontrollen og reducerede forsøg og fejl for nye trykforhold.
Nøgleresultater
Repræsentative resultater for JS-A426 aerosolstrålestudierne.
| Printer | Optomec aerosoljetprinter |
|---|---|
| Linjebredde | 50 til 60 µm |
| Sintringsvindue | 200 til 240 °C i 18 til 24 timer |
| Ledningsevne | Cirka 7.05 × 106 s/m |
| Gauge-faktor | 1.85 (2021) og 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 til taktil registrering på fleksible substrater
Dette arbejde strakte sig JS-A426 til en stjerneformet taktil sensor indlejret i PDMS til robotskins. Under cirka 5,000 cyklusser opretholdt sensoren repeterbar adfærd med en gaugefaktor nær 1.85, hvilket demonstrerer holdbarhed under dynamiske bløde robotforhold. [6]
4.2 JS-A102A via Inkjet Drop-on-Demand - University of Texas i San Antonio [3]
UTSA-undersøgelsen brugte JS-A102A med et Dimatix drop-on-demand-system for at udforske hurtig sensorfremstilling. Flere geometrier blev printet på Kapton, hvilket producerede modstande mellem 2.3 og 7.2 ohm efter trinvis sintring ved 50°C og 150°C. Resultatet er et stærkt eksempel på hurtig prototyping med ensartet elektrisk ydeevne.
4.3 JS-B25HV og JS-B15P via inkjetprintning - Universitetet i Novi Sad [4]
Forskerne sammenlignede inkjet-printede strain gauges bygget med NovaCentrix sølvblæk på tværs af professionelle og desktop printsystemer. På polyimid og PET leverede de printede gauges gaugefaktorværdier fra 1.58 til 2.03 afhængigt af substrat, blækvalg og lagantal, samtidig med at de opretholdt god kortsigtet stabilitet med kun mild langsigtet drift.
5. Real-World-applikationer
Origami-baseret Delta-robot
Et team ved Istanbul Tekniske Universitet integrerede trykte tøjningsmålere ved hjælp af JS-B25P til en foldbar delta-robot. [5] Sensorerne blev printet på PET og indlejret i origami-samlinger til vinkelmåling, hvilket med succes sporer bevægelse fra 0° til 90° via modstandsændring og muliggør analog feedback til letvægtsrobotstyring.
Taktil sansning i robotskind
En stjerneformet strain gauge ved hjælp af JS-A426 blev trykt på fleksibel Kapton og indlejret i PDMS for at fungere som en taktil hudsensor. [6] Sensoren viste lineær, repeterbar respons under sinusformede og trinvise input, hvilket gør den velegnet til taktil feedback og integration med blød robotteknologi.
6. Resumé og Outlook
På tværs af akademiske og anvendte studier har NovaCentrix sølvnanopartikelblæk vist sig effektive til fremstilling af højtydende fleksible tøjningsmålere ved hjælp af flere digitale trykprocesser. Fra aerosolstråler til inkjet og fra Kapton til PET understøtter platformen pålidelig ledningsevne, repeterbar tøjningsfaktorydelse og integration i fungerende robotsystemer.
Muligheden for at tilpasse geometri, printe direkte på fleksible substrater og arbejde med relativt tilgængeligt deponeringshardware gør disse materialer særligt nyttige til hurtig prototyping, wearables, strukturel sundhedsovervågning og blød robotteknologi.
NovaCentrix' bredere materialeportefølje og procesøkosystem, herunder understøttelse af hærdning med lavt termisk budget gennem PulseForge, giver en praktisk vej fra forskningsvalidering til skalerbar produktion.
Fremtidige Retningslinjer
- Brug fotonisk sintring til applikationer med ultralavt termisk budget og varmefølsomme substrater.
- Kombiner belastningsregistrering med tilstødende funktioner såsom temperatur, tryk eller taktil respons.
- Udvikle validerede sensorgeometribiblioteker til hurtigere OEM- og forskningsimplementering.
7. Referencer
-
[1]
Ratnayake m.fl. Aerosolstråletrykte strain gauges med brug af sølvnanopartikelblæk. IEEE Flex. Electron. Sens. Conf. (FLEPS) 2021.
Open source -
[2]
Ratnayake m.fl. Forudsigelse af ledningsevne for aerosolstråletrykte sølvnanopartikelblæk. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source -
[3]
Dipon m.fl. Drop-on-Demand inkjet-printning af strain gauges ved hjælp af sølvblæk. Ferroelectrics 2023.
Open source -
[4]
Zlebic m.fl. Ydelsesanalyse af inkjet-printede tøjningsmålere på fleksible substrater. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Open source -
[5]
Kalafat. Origami-baseret deltarobot med integrerede trykte tøjningsmålere. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Open source -
[6]
Olowo m.fl. Aerosolstråletrykt stjerneformet belastningssensor til robotbaseret taktil hud. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source
Billedkredit: Illustration af strain-gauge tilpasset fra den figurkilde, der i øjeblikket bruges på denne side, tilskrevet under CC BY-SA 2.5. Tilbage til toppen
