Hvad Er Trykt Strain Målere?

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 manglende tilpasningsmuligheder. Fremskridt inden for trykt elektronik - især med ledende nanopartikelblæk - muliggør en ny klasse af digitalt fremstillede tøjningssensorer, der er lette, fleksible og applikationsspecifikke.

Denne hvidbog gennemgår udviklingen og valideringen af trykte strain gauges ved hjælp af sølvnanopartikelblæk fra NovaCentrix. Et par akademiske studier fremhæves:

 

 

1. To fra University of Louisville (ref 1, ref 2) demonstrerer aerosolstråletryk (AJP) af strain gauges ved hjælp af JS-A426 blæk, herunder gaugedesign, sintringsoptimering og måling af gaugefaktor.
2. En fra University of Texas i San Antonio (ref 3) ved brug af JS-A102A blæk og en anden fra Novi Sad Universitet (ref 4) ved hjælp af JS-B25HV og JS-B15P med inkjet (drop-on-demand) print til hurtigt at fremstille geometrisk varierede sensorer i en enkelt arbejdsgang.
3. To yderligere studier viser anvendelser i den virkelige verden: en Delta-robot med indlejret belastningsregistrering ved hjælp af JS-B25P (ref 5) og en taktil hud til robotregistrering ved hjælp af JS-A426 (ref 6).

Samlet set viser disse undersøgelser, hvordan NovaCentrix-blæk understøtter hurtig prototyping, brugerdefineret sensordesign og en ydeevne, der er konkurrencedygtig med kommercielle målere på tværs af flere printplatforme.

2. Introduktion og baggrund

Tøjningsmålere er grundlæggende værktøjer til måling af mekanisk deformation i strukturer og materialer. De fungerer ud fra et simpelt princip: Når et ledende element strækkes eller komprimeres, ændres dets geometri, hvilket ændrer dets elektriske modstand. Denne modstandsændring kan måles for at kvantificere tøjning.

Traditionelle tøjningsmålere, typisk sammensat af ætset metalfolie klæbet på en polymerbagside, er effektive, men lider af centrale begrænsninger: afhængighed af stift substrat, klæbemiddelmontering, kompleks fremstilling og samling og begrænset designfrihed.

Trykt elektronik præsenterer en transformerende mulighed. Ved digitalt at mønstre ledende blæk direkte på fleksible substrater er det nu muligt at tilpasse sensorgeometrien på softwareniveau, printe på buede eller bløde overflader og hurtigt iterere gennem design.

NovaCentrix tilbyder en række metal-nanopartikelblæktyper – herunder sølv-, kobber- og legeringssystemer – skræddersyet til specifikke printplatforme. Deres blæktyper er designet til at opfylde de strenge krav til trykt elektronik.

3. NovaCentrix-blæk til strain gauges

NovaCentrix' ledende blæk er konstrueret til digital aflejring og efterbehandling, hvilket understøtter avanceret fremstilling af printede sensorer. Flere sølvnanopartikelblæktyper fra NovaCentrix er blevet valideret i akademisk forskning til brug i strain gauges-applikationer.

• JS-A426: AJP-optimeret sølvblæk til finelinertryk på fleksible underlag.
• JS-A102A, JS-B25P, JS-B25HV og JS-B15P: Inkjet-optimeret sølvblæk til hurtig prototyping.

4. Casestudier: Printede strain gauges med NovaCentrix-blæk

4.1 JS-A426 via aerosolstråleprintning (University of Louisville)

To studier fra University of Louisville demonstrerede brugen af JS-A426 med aerosoljetprintning til at fremstille brugerdefinerede strain gauges på Kapton.

Opfølgningen fra 2023 introducerede også en model til forudsigelse af ledningsevne baseret på sintringsforhold, hvilket forbedrede proceskontrollen for forskellige substrater.

4.1.2 JS-A426 til taktil registrering på fleksible substrater

Dette arbejde udvidede brugen af JS-A426 til at fremstille en omnidirektionel taktil sensor indlejret i PDMS til robotskins. Ved hjælp af et stjerneformet mønster og indkapsling opnåede sensoren robust ydeevne under 5000 cyklusser med en gaugefaktor på ~1.85, hvilket viser dens levedygtighed i dynamiske robotmiljøer.

4.2 JS-A102A via Inkjet Drop-on-Demand (University of Texas i San Antonio)

Dette studie anvendte JS-A102A med en Dimatix DOD inkjetprinter til at undersøge hurtig sensorfremstilling. Flere geometrier blev printet på Kapton, hvilket opnåede modstande mellem 2.3-7.2 Ω efter sintring ved 50°C og 150°C i rækkefølge. Denne tilgang demonstrerede hurtig ekspeditionstid og ensartethed, ideel til prototypefremstilling af tøjningssensorer i forskellige layouts.

4.3 JS-B25HV og JS-B15P via inkjetprint (Universitetet i Novi Sad)

Forskerne sammenlignede ydeevnen af JS-B25HV- og JS-B15P-blæk trykt med professionelle og stationære inkjetsystemer. På polyimid og PET opnåede sensorerne GF-værdier fra 1.58 til 2.03 afhængigt af blæk, substrat og lagantal. Holdbarhed og stabilitet var god på kort sigt, med mild modstandsdrift over 2+ måneder.

5. Anvendelse i den virkelige verden: Trykte strain gauges i en origami-baseret deltarobot

Et team fra Istanbul Tekniske Universitet integrerede trykte strain gauges ved hjælp af JS-B25P i en foldbar Delta-robot. Sensorerne blev printet på PET og indlejret i origami-samlinger til vinkelmåling. De sporede med succes 0°-90° bevægelse via modstandsændring, hvilket muliggjorde analog feedback til lukket sløjfestyring i letvægtsrobotsystemer.

6. Virkelig anvendelse: JS-A426 til taktil registrering i robotskins

En stjerneformet strain gauge ved hjælp af JS-A426 blev printet på fleksibel Kapton og indlejret i PDMS for at fungere som en taktil hudsensor. Den var designet til omnidirektionel følsomhed og opnåede lineær og repeterbar respons under sinusformede og trinvise input. Sensoren udviste fremragende holdbarhed og systemintegrationskapacitet til blød robotteknologi.

7. Resumé og Outlook

På tværs af en bred vifte af akademiske og anvendte forskningsstudier har NovaCentrix sølvnanopartikelblæk vist sig effektive til fremstilling af højtydende, fleksible strain gauges ved hjælp af flere digitale trykmetoder. Fra aerosolstråler til inkjet og fra Kapton til PET har disse blæktyper vist pålidelig ledningsevne, repeterbare gaugefaktorværdier i området 1.7-2.0 og integration i virkelige robotsystemer og taktile sensorer.

Muligheden for at tilpasse geometri, printe direkte på fleksible substrater og bruge billige printsystemer gør disse blæktyper attraktive til hurtig prototyping, produktion og nye anvendelsesområder såsom blød robotteknologi, wearables og strukturel sundhedsovervågning.

Fremtidige retninger omfatter:

• Brug af fotonisk sintring (f.eks. PulseForge) til applikationer med ultralavt termisk budget.
• Kombination af tøjningssensorer med yderligere funktioner (f.eks. temperatur, tryk).
• Udvikling af biblioteker med validerede sensorgeometrier til hurtigere implementering i OEM- og forskningsmiljøer.

NovaCentrix' voksende materialeportefølje og økosystemstøtte gør det muligt hurtigt at gå fra innovation i laboratorieskala til skalerbar produktion.

8. Referencer

1. Ratnayake et al., IEEE FLEPS, 2021
2. Ratnayake et al., IEEE JFlex, 2023
3. Dipon et al., FERROELECTRICS, 2023
4. Zlebic et al., Elektronik og Energi, 2016
5. Kalafat, Hettitisk Tidsskrift for Videnskab og Ingeniørvidenskab, 2022
6. Olowo et al., IEEE Tidsskrift om Fleksibel Elektronik, 2023

Billedkreditter

Billedkilde: Illustration af strain gauge , brugt under CC BY-SA 2.5.

↑ Tilbage til toppen