1. Galgas extensométricas impresas a medida
Los extensómetros desempeñan un papel fundamental en la monitorización estructural, la tecnología portátil, la robótica y la electrónica flexible. Si bien los extensómetros tradicionales son ampliamente utilizados, presentan limitaciones debido a la rigidez de los sustratos, la complejidad de los procesos de ensamblaje y la escasa personalización. La electrónica impresa y las tintas de nanopartículas conductoras ofrecen una alternativa más flexible: sensores ligeros, fabricados digitalmente y adaptados a una geometría, sustrato o aplicación específicos.
Este documento técnico analiza el desarrollo y la validación de extensómetros impresos mediante tintas de nanopartículas de plata NovaCentrix. Los ejemplos que se presentan a continuación ilustran tanto la validación académica como su implementación en aplicaciones prácticas.
- Dos estudios de la Universidad de Louisville [ 1 ], [ 2 ] demostrar la impresión por chorro de aerosol con JS-A426, incluido el diseño de calibres, la optimización de la sinterización y la medición del factor de calibre.
- Un estudio de la Universidad de Texas en San Antonio [ 3 ] usado JS-A102A, mientras que un estudio de la Universidad de Novi Sad [ 4 ] Se utilizaron tintas NovaCentrix optimizadas para inyección de tinta para fabricar rápidamente sensores con diversas geometrías.
- Dos estudios adicionales destacan sistemas aplicados: un robot delta con detección de deformación integrada que utiliza JS-B25P [ 5 ] y un sensor robótico táctil de piel que utiliza JS-A426 [ 6 ].
2. Introducción y Antecedentes
Los extensómetros miden la deformación mecánica registrando cómo cambia la resistencia de una pista conductora bajo tensión o compresión. A medida que la pista conductora se estira o se contrae, tanto la geometría del conductor como la microestructura subyacente se modifican, produciendo una respuesta eléctrica medible.
Los medidores de lámina tradicionales siguen siendo eficaces, pero también presentan limitaciones importantes: convenciones de montaje rígidas, pasos de unión adhesiva, libertad geométrica limitada y costes de fabricación elevados cuando es necesario cambiar el diseño rápidamente.
La electrónica impresa transforma ese espacio de diseño. Las tintas conductoras se pueden depositar directamente sobre sustratos flexibles, lo que permite realizar cambios geométricos a nivel de software, ciclos de iteración más cortos y la fabricación de sensores en materiales delgados, conformables o específicos para cada aplicación.
NovaCentrix ofrece diversos sistemas de tinta con nanopartículas de plata, optimizados para diferentes métodos de deposición, desde la impresión por chorro de aerosol de líneas finas hasta flujos de trabajo de inyección de tinta orientados a la producción. Estos materiales validados son los que hacen que los estudios de esta página sean relevantes para los equipos de ingeniería que pasan del concepto a la implementación.
Factor de calibre
Métrica de sensibilidad principal para galgas extensométricas
Donde ΔR es el cambio en la resistencia, R es la resistencia original, y ε es la deformación aplicada. Un factor de calibración mayor indica una mayor sensibilidad.
Rango de referencia
3. Tintas NovaCentrix para galgas extensométricas
Las tintas conductoras NovaCentrix están diseñadas para la deposición digital y el procesamiento posterior a la impresión, lo que permite la fabricación avanzada de sensores impresos. Varias tintas de nanopartículas de plata ya han sido validadas para aplicaciones de galgas extensométricas en flujos de trabajo de inyección de aerosol e inyección de tinta.
Metalón® JS-A426
Tinta de nanopartículas de plata optimizada mediante AJP para impresión de líneas finas en sustratos flexibles, incluyendo PI (Kapton) y PET. Validada para sensores táctiles, revestimientos robóticos y medidores estructurales.
Ver JS-A426Metalón® JS-A102A
Tinta plateada para impresión de inyección de tinta bajo demanda Dimatix. Permite una rápida producción de diversas geometrías de sensores sobre Kapton, alcanzando una baja resistencia tras un proceso de sinterización a baja temperatura por etapas.
Ver JS-A102AMetalón® JS-B25P
Tinta de nanopartículas de plata para sistemas de inyección de tinta profesionales y de escritorio. Se utiliza en la aplicación de detección de articulaciones de origami para robots delta, con fuerte adhesión sobre PET.
Ver JS-B25PMetalón® JS-B25HV y JS-B15P
Tintas de inyección de tinta validadas en poliimida y PET para sistemas profesionales y de escritorio, con valores de factor de calibración entre 1.58 y 2.03 dependiendo del sustrato y el número de capas.
Explorar tintas para impresoras de inyección de tinta4. Casos de estudio: Sensores de deformación impresos con tintas NovaCentrix
4.1 JS-A426 mediante impresión por chorro de aerosol - Universidad de Louisville [ 1 ], [ 2 ]
Dos estudios de la Universidad de Louisville demostraron el uso de JS-A426 Se utilizó la impresión por chorro de aerosol para fabricar galgas extensométricas personalizadas sobre Kapton. La actualización de 2023 incorporó un modelo de predicción de conductividad vinculado a las condiciones de sinterización, lo que mejoró el control del proceso y redujo el método de prueba y error para nuevas condiciones de impresión.
Resultados clave
Resultados representativos de los estudios del chorro de aerosoles JS-A426.
| Impresora | Impresora de inyección de aerosol Optomec |
|---|---|
| Grosor de línea | 50 a 60 µm |
| Ventana de sinterización | De 200 a 240 °C durante 18 a 24 horas. |
| Conductividad | Aproximadamente 7.05 × 106 S / m |
| Factor de calibración | 1.85 (2021) y 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 para detección táctil en sustratos flexibles
Este trabajo se extendió JS-A426 Se integró un sensor táctil en forma de estrella en PDMS para pieles robóticas. Tras aproximadamente 5,000 ciclos, el sensor mantuvo un comportamiento repetible con un factor de calibración cercano a 1.85, lo que demuestra su durabilidad en condiciones dinámicas de robótica blanda. [ 6 ]
4.2 JS-A102A mediante inyección de tinta bajo demanda - Universidad de Texas en San Antonio [ 3 ]
El estudio de la UTSA utilizó JS-A102A Se utilizó un sistema de impresión bajo demanda Dimatix para explorar la fabricación rápida de sensores. Se imprimieron diversas geometrías sobre Kapton, obteniendo resistencias de entre 2.3 y 7.2 ohmios tras un proceso de sinterización por etapas a 50 °C y 150 °C. El resultado es un excelente ejemplo de prototipado rápido con un rendimiento eléctrico uniforme.
4.3 JS-B25HV y JS-B15P mediante impresión de inyección de tinta - Universidad de Novi Sad [ 4 ]
Los investigadores compararon galgas extensométricas impresas con tintas de plata NovaCentrix mediante impresión por inyección de tinta en sistemas de impresión profesionales y de escritorio. En poliimida y PET, las galgas impresas arrojaron valores de factor de galga de 1.58 a 2.03, dependiendo del sustrato, la selección de tinta y el número de capas, manteniendo una buena estabilidad a corto plazo con una ligera variación a largo plazo.
5. Aplicaciones en el mundo real
Robot Delta basado en origami
Un equipo de la Universidad Técnica de Estambul integró galgas extensométricas impresas utilizando JS-B25P en un robot delta plegable. [ 5 ] Los sensores se imprimieron en PET y se integraron en articulaciones de origami para la medición de ángulos, logrando un seguimiento exitoso del movimiento de 0° a 90° mediante cambios de resistencia y permitiendo la retroalimentación analógica para el control robótico ligero.
Detección táctil en pieles robóticas
Un extensómetro en forma de estrella que utiliza JS-A426 Se imprimió sobre Kapton flexible y se incrustó en PDMS para funcionar como un sensor táctil de la piel. [ 6 ] El sensor mostró una respuesta lineal y repetible ante entradas sinusoidales y escalonadas, lo que lo convierte en una opción idónea para la retroalimentación táctil y la integración con la robótica blanda.
6. Resumen y Outlook
En estudios académicos y aplicados, las tintas de nanopartículas de plata NovaCentrix han demostrado su eficacia para la fabricación de extensómetros flexibles de alto rendimiento mediante diversos procesos de impresión digital. Desde la impresión por aerosol hasta la inyección de tinta, y desde Kapton hasta PET, la plataforma ofrece una conductividad fiable, un rendimiento repetible del factor de sensibilidad y la integración en sistemas robóticos funcionales.
La capacidad de personalizar la geometría, imprimir directamente sobre sustratos flexibles y trabajar con hardware de deposición relativamente accesible hace que estos materiales sean especialmente útiles para la creación rápida de prototipos, dispositivos portátiles, monitorización del estado estructural y robótica blanda.
La cartera de materiales y el ecosistema de procesos más amplios de NovaCentrix, incluido el soporte para el curado con presupuesto térmico bajo a través de Forja de pulsoProporciona una vía práctica desde la validación de la investigación hasta la fabricación a gran escala.
Directrices para el futuro
- Utilice la sinterización fotónica para aplicaciones con presupuestos térmicos ultrabajos y sustratos sensibles al calor.
- Combine la detección de deformación con funciones adyacentes como la temperatura, la presión o la respuesta táctil.
- Desarrollar bibliotecas de geometría de sensores validadas para una implementación más rápida en fabricantes de equipos originales (OEM) e investigación.
7. Referencias
-
[ 1 ]
Ratnayake, et al. Galgas extensométricas impresas mediante chorro de aerosol con tinta de nanopartículas de plata. Conferencia IEEE sobre Sensores Electrónicos Flexibles (FLEPS) 2021.
Fuente abierta -
[ 2 ]
Ratnayake, et al. Predicción de la conductividad de tintas de nanopartículas de plata impresas mediante chorro de aerosol. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Fuente abierta -
[ 3 ]
Dipon, et al. Impresión por inyección de tinta bajo demanda de galgas extensométricas utilizando tinta de plata. Ferroelectrics 2023.
Fuente abierta -
[ 4 ]
Zlebic, et al. Análisis del rendimiento de galgas extensométricas impresas por inyección de tinta sobre sustratos flexibles. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Fuente abierta -
[ 5 ]
Kalafat. Robot delta basado en origami con galgas extensométricas impresas integradas. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Fuente abierta -
[ 6 ]
Olowo, et al. Sensor de deformación en forma de estrella impreso mediante chorro de aerosol para piel táctil robótica. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Fuente abierta
Crédito de la imagen: ilustración de galga extensométrica adaptada de la fuente de la figura que se utiliza actualmente en esta página, atribuida bajo CC BY-SA 2.5. Volver
