1. Kundenspezifisch bedruckte Dehnungsmessstreifen
Dehnungsmessstreifen spielen eine entscheidende Rolle in der Strukturüberwachung, tragbaren Technologien, Robotik und flexibler Elektronik. Traditionelle Dehnungsmessstreifen sind zwar weit verbreitet, stoßen aber aufgrund starrer Substrate, komplexer Montageprozesse und begrenzter Anpassungsmöglichkeiten an ihre Grenzen. Gedruckte Elektronik und leitfähige Nanopartikel-Tinten eröffnen einen flexibleren Weg: leichte, digital gefertigte Sensoren, die auf eine spezifische Geometrie, ein bestimmtes Substrat oder eine bestimmte Anwendung abgestimmt sind.
Dieses Whitepaper beschreibt die Entwicklung und Validierung gedruckter Dehnungsmessstreifen mit Silbernanopartikel-Tinten von NovaCentrix. Die folgenden Beispiele veranschaulichen sowohl die akademische Validierung als auch den anwendungsorientierten Einsatz.
- Zwei Studien der Universität Louisville [1]., [2]. demonstrieren Sie das Aerosol-Jet-Drucken mit JS-A426, einschließlich Messgerätedesign, Sinteroptimierung und Messung des Dehnungsfaktors.
- Eine Studie der Universität von Texas in San Antonio [3]. benutzt JS-A102A, während eine Studie der Universität Novi Sad [4]. Sie verwendeten für den Tintenstrahldruck optimierte NovaCentrix-Tinten, um schnell verschiedene Sensorgeometrien herzustellen.
- Zwei weitere Studien heben angewandte Systeme hervor: einen Delta-Roboter mit integrierter Dehnungsmessung unter Verwendung von JS-B25P [5]. und ein taktiler robotischer Hautsensor, der JS-A426 [6]..
2. Einführung und Hintergrund
Dehnungsmessstreifen erfassen mechanische Verformungen, indem sie die Widerstandsänderung einer Leiterbahn unter Zug- oder Druckbelastung messen. Bei Dehnung oder Kontraktion der Leiterbahn verändern sich sowohl die Geometrie des Leiters als auch die darunterliegende Mikrostruktur, was eine messbare elektrische Reaktion hervorruft.
Traditionelle Folienlehren sind nach wie vor effektiv, bringen aber auch echte Einschränkungen mit sich: starre Montagevorgaben, Klebeverbindungen, begrenzte geometrische Freiheit und Fertigungsaufwand, wenn sich ein Design schnell ändern muss.
Gedruckte Elektronik verändert diesen Gestaltungsspielraum. Leitfähige Tinten können direkt auf flexible Substrate aufgebracht werden, was Geometrieänderungen auf Softwareebene, engere Iterationsschleifen und die Herstellung von Sensoren auf dünnen, anpassungsfähigen oder anwendungsspezifischen Materialien ermöglicht.
NovaCentrix bietet verschiedene Silbernanopartikel-Tintensysteme, die auf unterschiedliche Beschichtungsverfahren abgestimmt sind – vom Aerosol-Jet-Druck feinster Linien bis hin zu produktionsorientierten Inkjet-Workflows. Dank dieser validierten Materialien sind die Studien auf dieser Seite für Entwicklungsteams relevant, die von der Konzeptphase zur Markteinführung übergehen.
Dehnungsfaktor
Kernempfindlichkeitsmetrik für Dehnungsmessstreifen
COHO Expo bei der ΔR ist die Veränderung des Widerstands, R ist der ursprüngliche Widerstand, und ε ist die angelegte Dehnung. Ein größerer Dehnungsmessfaktor bedeutet eine höhere Empfindlichkeit.
Referenzbereich
3. NovaCentrio-Tinten für Dehnungsmessstreifen
Die leitfähigen Tinten von NovaCentrix wurden für die digitale Beschichtung und Nachbearbeitung entwickelt und unterstützen die fortschrittliche Fertigung gedruckter Sensoren. Mehrere Silbernanopartikel-Tinten wurden bereits für Dehnungsmessstreifen-Anwendungen in Aerosol- und Tintenstrahlverfahren validiert.
Metallon® JS-A426
AJP-optimierte Silbernanopartikel-Tinte für den Feinliniendruck auf flexiblen Substraten wie PI (Kapton) und PET. Validiert für taktile Sensoren, Roboterhaut und Strukturmessgeräte.
Ansicht JS-A426Metallon® JS-A102A
Silbertinte für das Dimatix-Tintenstrahldruckverfahren (Drop-on-Demand). Ermöglicht die schnelle Herstellung verschiedener Sensorgeometrien auf Kapton und erreicht nach mehrstufigem Niedertemperatursintern einen niedrigen Widerstand.
Ansicht JS-A102AMetallon® JS-B25P
Silbernanopartikel-Tinte für professionelle und Desktop-Tintenstrahldrucksysteme. Wird in der Delta-Roboter-Origami-Gelenksensorik-Anwendung mit starker Haftung auf PET verwendet.
JS-B25P ansehenMetallon® JS-B25HV und JS-B15P
Die Tintenstrahltinten wurden auf Polyimid und PET in professionellen und Desktop-Systemen validiert, wobei die Gauge-Faktor-Werte je nach Substrat und Schichtanzahl zwischen 1.58 und 2.03 liegen.
Tintenstrahltinten durchsuchen4. Fallstudien: Gedruckte Dehnungsmessstreifen mit NovaCentrix-Tinten
4.1 JS-A426 mittels Aerosol-Jet-Druck – Universität Louisville [1]., [2].
Zwei Studien der Universität Louisville demonstrierten die Verwendung von JS-A426 Mit Hilfe des Aerosol-Jet-Druckverfahrens lassen sich kundenspezifische Dehnungsmessstreifen auf Kapton herstellen. Die Nachfolgeversion aus dem Jahr 2023 ergänzte das Verfahren um ein Leitfähigkeitsvorhersagemodell, das an die Sinterbedingungen gekoppelt ist und so die Prozesskontrolle verbessert und das Ausprobieren neuer Druckbedingungen reduziert.
Schlüsselergebnisse
Repräsentative Ergebnisse der JS-A426-Aerosolstrahlstudien.
| Drucker | Optomec Aerosol-Jet-Drucker |
|---|---|
| Linienbreite | 50 bis 60 µm |
| Sinterfenster | 200 bis 240 °C für 18 bis 24 Stunden |
| Leitfähigkeit | ungefähr 7.05 × 106 S / m |
| Messfaktor | 1.85 (2021) und 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 für taktile Sensorik auf flexiblen Substraten
Diese Arbeit erweiterte JS-A426 in einen sternförmigen, in PDMS eingebetteten Tastsensor für Roboterhäute integriert. Nach etwa 5,000 Zyklen behielt der Sensor sein reproduzierbares Verhalten mit einem Messfaktor nahe 1.85 bei und demonstrierte damit seine Langlebigkeit unter den dynamischen Bedingungen der Softrobotik. [6].
4.2 JS-A102A via Inkjet Drop-on-Demand - Universität von Texas in San Antonio [3].
Die UTSA-Studie verwendete JS-A102A Mithilfe eines Dimatix-Drop-on-Demand-Systems wurde die schnelle Sensorfertigung untersucht. Verschiedene Geometrien wurden auf Kapton gedruckt und ergaben nach stufenweisem Sintern bei 50 °C und 150 °C Widerstände zwischen 2.3 und 7.2 Ohm. Das Ergebnis ist ein überzeugendes Beispiel für schnelles Prototyping mit gleichbleibender elektrischer Leistung.
4.3 JS-B25HV und JS-B15P mittels Tintenstrahldruck – Universität Novi Sad [4].
Forscher verglichen mit NovaCentrix-Silbertinten hergestellte, im Tintenstrahldruckverfahren gedruckte Dehnungsmessstreifen auf professionellen und Desktop-Drucksystemen. Auf Polyimid und PET erreichten die gedruckten Dehnungsmessstreifen je nach Substrat, Tintenwahl und Schichtanzahl Dehnungsmessfaktorwerte zwischen 1.58 und 2.03 und zeigten dabei eine gute Kurzzeitstabilität mit nur geringer Langzeitdrift.
5. Anwendungen aus der realen Welt
Origami-basierter Delta-Roboter
Ein Team der Technischen Universität Istanbul integrierte gedruckte Dehnungsmessstreifen mithilfe von JS-B25P in einen faltbaren Delta-Roboter. [5]. Die Sensoren wurden auf PET gedruckt und in Origami-Gelenke zur Winkelmessung eingebettet. Sie konnten Bewegungen von 0° bis 90° erfolgreich über Widerstandsänderungen verfolgen und ermöglichten eine analoge Rückkopplung für die Steuerung leichter Roboter.
Taktile Sensorik in Roboterhäuten
Ein sternförmiger Dehnungsmessstreifen mit JS-A426 wurde auf flexiblem Kapton gedruckt und in PDMS eingebettet, um als taktiler Hautsensor zu fungieren. [6]. Der Sensor zeigte ein lineares, wiederholbares Ansprechverhalten bei sinusförmigen und sprunghaften Eingangssignalen und eignet sich daher hervorragend für taktiles Feedback und die Integration in die Softrobotik.
6. Zusammenfassung und Ausblick
In akademischen und angewandten Studien haben sich die Silbernanopartikel-Tinten von NovaCentrix als wirksam für die Herstellung von flexiblen Hochleistungs-Dehnungsmessstreifen mittels verschiedener digitaler Druckverfahren erwiesen. Von Aerosol-Jet- bis Tintenstrahldruck und von Kapton bis PET ermöglicht die Plattform zuverlässige Leitfähigkeit, reproduzierbare Messfaktor-Eigenschaften und die Integration in Robotersysteme.
Die Möglichkeit, die Geometrie anzupassen, direkt auf flexible Substrate zu drucken und mit relativ leicht zugänglicher Beschichtungshardware zu arbeiten, macht diese Materialien besonders nützlich für Rapid Prototyping, Wearables, Strukturüberwachung und Softrobotik.
NovaCentrix bietet ein breiteres Materialportfolio und ein umfassenderes Prozessökosystem, einschließlich Unterstützung für die Aushärtung mit niedrigem thermischen Budget. PulseForgebietet einen praktischen Weg von der Forschungsvalidierung zur skalierbaren Fertigung.
Zukünftige Richtungen
- Photonisches Sintern eignet sich für Anwendungen mit extrem niedrigem thermischen Budget und für wärmeempfindliche Substrate.
- Die Dehnungsmessung wird mit angrenzenden Funktionen wie Temperatur-, Druck- oder Tastempfindlichkeit kombiniert.
- Entwicklung validierter Sensorgeometrie-Bibliotheken für eine schnellere Implementierung bei OEMs und in der Forschung.
7. Referenzen
-
[1].
Ratnayake et al. Aerosol Jet Printed Strain Gauges Using Silver Nanoparticle Ink. IEEE Flex. Electron. Sens. Conf. (FLEPS) 2021.
Open Source -
[2].
Ratnayake et al. Leitfähigkeitsvorhersage für mittels Aerosolstrahldruck aufgebrachte Silbernanopartikel-Tinten. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open Source -
[3].
Dipon et al. Drop-on-Demand-Tintenstrahldruck von Dehnungsmessstreifen mit Silber-Tinte. Ferroelectrics 2023.
Open Source -
[4].
Zlebic et al. Leistungsanalyse von mittels Tintenstrahldruck auf flexiblen Substraten hergestellten Dehnungsmessstreifen. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Open Source -
[5].
Kalafat. Origami-basierter Delta-Roboter mit integrierten gedruckten Dehnungsmessstreifen. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Open Source -
[6].
Olowo et al. Aerosol Jet Printed Star-Shaped Strain Sensor for Robotic Tactile Skin. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open Source
Bildnachweis: Dehnungsmessstreifen-Illustration, adaptiert aus der aktuell auf dieser Seite verwendeten Abbildungsquelle, mit Quellenangabe unter CC BY-SA 2.5. Nach oben
