1. Medidores de tensión impresos a medida
Las galgas extensométricas desempeñan un papel fundamental en la monitorización estructural, la tecnología wearable, la robótica y la electrónica flexible. Las galgas extensométricas tradicionales, aunque ampliamente utilizadas, se ven limitadas por la rigidez de los sustratos, la complejidad de los procesos de ensamblaje y la falta de personalización. Los avances en la electrónica impresa, en particular con tintas de nanopartículas conductoras, están dando lugar a una nueva clase de sensores de deformación fabricados digitalmente que son ligeros, flexibles y específicos para cada aplicación.
Este informe técnico analiza el desarrollo y la validación de galgas extensométricas impresas con tintas de nanopartículas de plata de NovaCentrix. Se destacan algunos estudios académicos:
- Dos de la Universidad de Louisville (referencia 1, referencia 2) demostrando impresión por chorro de aerosol (AJP) de medidores de tensión utilizando Tinta JS-A426, incluido el diseño de calibres, la optimización de la sinterización y la medición del factor de calibre.
- Uno de la Universidad de Texas en San Antonio (referencia 3) utilizando Tinta JS-A102A y otro de la Universidad de Novi Sad (referencia 4) utilizando JS-B25HV y JS-B15P con impresión de inyección de tinta (gota a demanda) para fabricar rápidamente sensores geométricamente variados en una sola pasada.
- Dos estudios adicionales muestran aplicaciones en el mundo real: un robot Delta con detección de tensión incorporada que utiliza JS-B25P (referencia 5) y una piel táctil para detección robótica mediante JS-A426 (referencia 6).
En conjunto, estos estudios demuestran cómo las tintas NovaCentrix favorecen la creación rápida de prototipos, el diseño de sensores personalizables y un rendimiento competitivo con los medidores comerciales, en múltiples plataformas de impresión.
2. Introducción y Antecedentes
Las galgas extensométricas son herramientas fundamentales para medir la deformación mecánica en estructuras y materiales. Funcionan según un principio simple: cuando un elemento conductor se estira o se comprime, su geometría cambia, lo que altera su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia puede medirse para cuantificar la deformación.
Los medidores de tensión tradicionales, normalmente compuestos por una lámina metálica grabada adherida a un soporte de polímero, son eficaces pero presentan limitaciones clave: dependencia de un sustrato rígido, montaje adhesivo, fabricación y ensamblaje complejos y libertad de diseño limitada.
La electrónica impresa presenta una oportunidad transformadora. Al modelar digitalmente tintas conductoras directamente sobre sustratos flexibles, ahora es posible personalizar la geometría del sensor a nivel de software, imprimir sobre superficies curvas o blandas y modificar rápidamente los diseños.
NovaCentrix ofrece una gama de tintas de nanopartículas metálicas, que incluyen sistemas de plata, cobre y aleaciones, adaptadas a plataformas de impresión específicas. Sus tintas están diseñadas para cumplir con los exigentes requisitos de la electrónica impresa.
3. Tintas NovaCentrix para galgas extensométricas
Las tintas conductoras de NovaCentrix están diseñadas para la deposición digital y el procesamiento posimpresión, lo que facilita la fabricación avanzada de sensores impresos. Varias tintas de nanopartículas de plata de NovaCentrix han sido validadas en investigaciones académicas para su uso en aplicaciones de galgas extensométricas.
- JS-A426: Tinta de plata optimizada para AJP Para impresión de líneas finas sobre sustratos flexibles.
- JS-A102A, JS-B25P, JS-B25HV y JS-B15P: Tinta plateada optimizada para inyección de tinta para la creación rápida de prototipos.
4. Casos prácticos: galgas extensométricas impresas con tintas NovaCentrix
4.1 JS-A426 mediante impresión por chorro de aerosol (Universidad de Louisville)
Dos estudios de la Universidad de Louisville demostraron el uso de JS-A426 con impresión por chorro de aerosol para fabricar medidores de tensión personalizados en Kapton.
Factor de calibre (GF) es una cifra clave de mérito para los medidores de tensión y se define como:
GF = (ΔR / R) / ε
Donde ΔR es el cambio de resistencia, R es la resistencia original y ε es la deformación aplicada. Un factor de fricción (GF) más alto indica una mayor sensibilidad. La mayoría de los medidores comerciales de lámina metálica tienen un GF entre 2.0 y 2.2. Los medidores impresos con tintas NovaCentrix han mostrado valores de GF en el rango de 1.7 a 2.0.
Resultados clave:
- Impresora: Optomec AJP
- Ancho de línea: 50–60 μm
- Sinterización: 200–240 °C durante 18–24 horas
- Conductividad: ~7.05×10⁶ S/m
- Factor de calibre: 1.85 (2021), 1.74 (2023)
El seguimiento de 2023 también introdujo un modelo de predicción de conductividad basado en las condiciones de sinterización, mejorando el control del proceso para diversos sustratos.
4.1.2 JS-A426 para detección táctil en sustratos flexibles
Este trabajo amplió el uso de JS-A426 para fabricar un sensor táctil omnidireccional integrado en PDMS para revestimientos robóticos. Mediante un patrón en forma de estrella y encapsulado, el sensor logró un rendimiento robusto a 5000 ciclos con un factor de calibración de ~1.85, lo que demuestra su viabilidad en entornos robóticos dinámicos.
4.2 JS-A102A mediante inyección de tinta bajo demanda (Universidad de Texas en San Antonio)
Este estudio utilizó el JS-A102A con una impresora de inyección de tinta Dimatix DOD para explorar la fabricación rápida de sensores. Se imprimieron múltiples geometrías en Kapton, alcanzando resistencias de entre 2.3 y 7.2 Ω tras la sinterización a 50 °C y 150 °C en secuencia. Este enfoque demostró una rápida entrega y consistencia, ideal para el prototipado de sensores de deformación en diversas configuraciones.
4.3 JS-B25HV y JS-B15P mediante impresión por inyección de tinta (Universidad de Novi Sad)
Los investigadores compararon el rendimiento de las tintas JS-B25HV y JS-B15P impresas con sistemas de inyección de tinta profesionales y de escritorio. En poliimida y PET, los sensores alcanzaron valores de factor de fricción (GF) de 1.58 a 2.03, dependiendo de la tinta, el sustrato y el número de capas. La durabilidad y la estabilidad fueron buenas a corto plazo, con una ligera desviación de la resistencia durante más de dos meses.
5. Aplicación en el mundo real: Medidores de tensión impresos en un robot delta basado en origami
Un equipo de la Universidad Técnica de Estambul integró galgas extensométricas impresas con JS-B25P en un robot Delta plegable. Los sensores se imprimieron en PET y se integraron en articulaciones de origami para la medición de ángulos. Monitorearon con éxito el movimiento de 0° a 90° mediante el cambio de resistencia, lo que permitió la retroalimentación analógica para el control de bucle cerrado en sistemas robóticos ligeros.
6. Aplicación en el mundo real: JS-A426 para detección táctil en pieles robóticas
Se imprimió un extensómetro en forma de estrella con JS-A426 en Kapton flexible y se integró en PDMS para que funcionara como sensor táctil de piel. Diseñado para una sensibilidad omnidireccional, logró una respuesta lineal y repetible bajo entradas sinusoidales y escalonadas. El sensor demostró una excelente durabilidad y capacidad de integración en sistemas para robótica blanda.
7. Resumen y perspectiva
En diversos estudios de investigación académica y aplicada, las tintas de nanopartículas de plata NovaCentrix han demostrado su eficacia en la fabricación de galgas extensométricas flexibles y de alto rendimiento mediante múltiples métodos de impresión digital. Desde la inyección de aerosol hasta la inyección de tinta, y desde el Kapton hasta el PET, estas tintas han demostrado una conductividad fiable, valores de factor de galga repetibles en el rango de 1.7 a 2.0, y su integración en sistemas robóticos y sensores táctiles del mundo real.
La capacidad de personalizar la geometría, imprimir directamente sobre sustratos flexibles y utilizar sistemas de impresión de bajo costo hace que estas tintas sean atractivas para la creación rápida de prototipos, la producción y nuevas áreas de aplicación como la robótica blanda, los dispositivos portátiles y el monitoreo de la salud estructural.
Las direcciones futuras incluyen:
- Uso de sinterización fotónica (por ejemplo, PulseForge) para aplicaciones de presupuesto térmico ultrabajo.
- Combinación de sensores de deformación con funciones adicionales (por ejemplo, temperatura, presión).
- Desarrollo de bibliotecas de geometrías de sensores validadas para una implementación más rápida en entornos de investigación y OEM.
La cartera de materiales en expansión de NovaCentrix y el soporte del ecosistema permiten pasar rápidamente de la innovación a escala de laboratorio a la fabricación escalable.
8. referencias
- Ratnayake y otros, IEEE FLEPS, 2021
- Ratnayake y otros, IEEE JFlex, 2023
- Dipon et al., FERROELÉCTRICOS, 2023
- Zlebic et al., Electrónica y Energética, 2016
- Kalafat, Revista Hitita de Ciencia e Ingeniería, 2022
- Olowo et al., Revista IEEE sobre electrónica flexible, 2023
Créditos de Imagen
Fuente de imagen: Ilustración de galgas extensométricas, utilizado bajo CC BY-SA 2.5.
