Mitä olemme Painettu rasitus Mittarit?

1. Mukautetut painetut venymäanturit

Venymäantureilla on ratkaiseva rooli rakenteellisessa valvonnassa, puettavassa teknologiassa, robotiikassa ja joustavassa elektroniikassa. Perinteisiä venymäantureja, vaikka niitä käytetään laajalti, rajoittavat jäykät alustat, monimutkaiset kokoonpanoprosessit ja räätälöinnin puute. Painetun elektroniikan kehitys – erityisesti johtavien nanopartikkelimusteiden avulla – mahdollistaa uudenlaisen digitaalisesti valmistettujen venymäantureiden luokan, jotka ovat kevyitä, joustavia ja sovelluskohtaisia.

Tässä raportissa tarkastellaan NovaCentrixin hopeananohiukkasmusteita käyttävien painettujen venymäanturien kehitystä ja validointia. Muutamia akateemisia tutkimuksia korostetaan:

 

 

1. Kaksi Louisvillen yliopistosta (viite 1, viite 2) osoittaen aerosolisuihkutulostus (AJP) venymäantureista käyttäen JS-A426-muste, mukaan lukien mittareiden suunnittelu, sintrauksen optimointi ja mittakertoimen mittaus.
2. Yksi Texasin yliopistosta San Antoniossa (viite 3) käyttämällä JS-A102A-muste ja toinen Novi Sadin yliopistosta (viite 4) käyttäen JS-B25HV:tä ja JS-B15P:tä mustesuihkutulostuksella (drop-on-demand) geometrisesti vaihtelevien antureiden nopeaan valmistamiseen yhdellä pyyhkäisyllä.
3. Kaksi lisätutkimusta esittelee tosielämän sovelluksia: Delta-robotti, jossa on upotettu venymäanturi käyttäen JS-B25P (viite 5) ja tuntoiho robottien tunnistuskäyttöön JS-A426 (viite 6).

Nämä tutkimukset osoittavat yhdessä, kuinka NovaCentrix-musteet tukevat nopeaa prototyyppien valmistusta, mukautettavaa anturisuunnittelua ja kilpailukykyistä suorituskykyä kaupallisten mittareiden kanssa useilla tulostusalustoilla.

2. Johdanto ja tausta

Venymäanturit ovat perustyökaluja rakenteiden ja materiaalien mekaanisen muodonmuutoksen mittaamiseen. Ne toimivat yksinkertaisella periaatteella: kun johtavaa elementtiä venytetään tai puristetaan, sen geometria muuttuu, mikä muuttaa sen sähköistä resistanssia. Tätä resistanssin muutosta voidaan mitata venymän kvantifioimiseksi.

Perinteiset venymäanturit, jotka tyypillisesti koostuvat syövytetystä metallikalvosta, joka on kiinnitetty polymeeritaustaan, ovat tehokkaita, mutta niillä on keskeisiä rajoituksia: jäykkä alustariippuvuus, liimakiinnitys, monimutkainen valmistus ja kokoonpano sekä rajallinen suunnitteluvapaus.

Painettu elektroniikka tarjoaa mullistavan mahdollisuuden. Kuvioimalla johtavia musteita digitaalisesti suoraan joustaville alustoille on nyt mahdollista mukauttaa anturigeometriaa ohjelmistotasolla, tulostaa kaareville tai pehmeille pinnoille ja iteroida malleja nopeasti.

NovaCentrix tarjoaa valikoiman metallinanopartikkelimusteita – mukaan lukien hopea-, kupari- ja metalliseosjärjestelmät – räätälöitynä tiettyihin tulostusalustoihin. Heidän musteet on suunniteltu täyttämään painetun elektroniikan tiukat vaatimukset.

3. NovaCentrix-musteet venymäantureille

NovaCentrixin johtavat musteet on suunniteltu digitaaliseen pinnoitukseen ja jälkikäsittelyyn, ja ne tukevat painettujen antureiden edistynyttä valmistusta. Useita NovaCentrixin hopeananohiukkasmusteita on validoitu akateemisessa tutkimuksessa käytettäväksi venymäliuskasovelluksissa.

• JS-A426: AJP-optimoitu hopeanvärinen muste hienoviivaiseen tulostukseen joustaville materiaaleille.
• JS-A102A, JS-B25P, JS-B25HV ja JS-B15P: Mustesuihkutulostukseen optimoitu hopeanvärinen muste nopeaa prototyyppien valmistusta varten.

4. Case-tutkimukset: NovaCentrix-musteilla painetut venymäanturit

4.1 JS-A426 Aerosol Jet Printingin kautta (Louisvillen yliopisto)

Kaksi Louisvillen yliopiston tutkimusta osoitti JS-A426:n käytön aerosolisuihkutulostuksen kanssa Kapton-levylle räätälöityjen venymäanturien valmistukseen.

Vuoden 2023 seurannassa esiteltiin myös sintrausolosuhteisiin perustuva johtavuuden ennustusmalli, joka parantaa prosessinohjausta erilaisilla alustoilla.

4.1.2 JS-A426 joustavien alustojen tuntotunnistukseen

Tämä työ laajensi JS-A426:n käyttöä robottirakenteiden PDMS-järjestelmään upotetun monisuuntaisen tuntoanturin valmistukseen. Tähtimäisen kuvion ja kapseloinnin avulla anturi saavutti vankan suorituskyvyn alle 5000 syklin mittauskertoimella ~1.85, mikä osoittaa sen soveltuvuuden dynaamisiin robottiympäristöihin.

4.2 JS-A102A Inkjet Drop-on-Demand -palvelun kautta (Texasin yliopisto San Antoniossa)

Tässä tutkimuksessa käytettiin JS-A102A-tulostinta ja Dimatix DOD -mustesuihkutulostinta anturien nopean valmistuksen tutkimiseen. Kaptonille tulostettiin useita geometrioita, jolloin saavutettiin 2.3–7.2 Ω:n resistanssit 50 °C:ssa ja 150 °C:ssa peräkkäin tapahtuneen sintrauksen jälkeen. Tämä lähestymistapa osoitti nopeaa läpimenoaikaa ja yhdenmukaisuutta, mikä oli ihanteellista venymäantureiden prototyyppien valmistukseen erilaisissa asetteluissa.

4.3 JS-B25HV ja JS-B15P mustesuihkutulostuksella (Novi Sadin yliopisto)

Tutkijat vertailivat JS-B25HV- ja JS-B15P-musteiden suorituskykyä ammattimaisilla ja pöytätietokoneille tarkoitetuilla mustesuihkutulostusjärjestelmillä. Polyimidillä ja PET-kalvolla anturit saavuttivat GF-arvot 1.58–2.03 musteesta, alustasta ja kerrosmäärästä riippuen. Kestävyys ja vakaus olivat lyhyellä aikavälillä hyviä, ja resistanssin vaihtelu oli lievää yli kahden kuukauden aikana.

5. Käytännön sovellus: Painetut venymäanturit origamipohjaisessa delta-robotissa

Istanbulin teknillisen yliopiston tiimi integroi JS-B25P-materiaalia käyttäen painettuja venymäantureja kokoontaitettavaan Delta-robottiin. Anturit tulostettiin PET-muoville ja upotettiin origami-niveliin kulman mittausta varten. He seurasivat onnistuneesti 0°–90° liikettä vastuksen muutoksen avulla, mikä mahdollisti analogisen palautteen suljetun silmukan ohjaukseen kevyissä robottijärjestelmissä.

6. Käytännön sovellus: JS-A426 robottirakenteiden tuntotunnistukseen

Tähtimäinen venymäanturi, joka valmistettiin JS-A426-materiaalista ja painettiin joustavalle Kaptonille, ja se upotettiin PDMS-järjestelmään toimimaan tuntoilun aikana ihoanturina. Se oli suunniteltu monisuuntaiseksi herkkyydeksi ja saavutti lineaarisen ja toistettavan vasteen sinimuotoisilla ja askelmuotoisilla syötteillä. Anturi osoitti erinomaista kestävyyttä ja järjestelmäintegraatiokykyä pehmeisiin robotteihin.

7. Yhteenveto ja Outlook

NovaCentrix-hopea-nanopartikkelimusteet ovat osoittautuneet tehokkaiksi useissa akateemisissa ja soveltavissa tutkimuksissa korkean suorituskyvyn ja joustavien venymäantureiden valmistuksessa useilla digitaalisilla painomenetelmillä. Aerosolisuihkutuksesta mustesuihkuun ja Kaptonista PET-tulostukseen nämä musteet ovat osoittaneet luotettavaa johtavuutta, toistettavia mittauskertoimia välillä 1.7–2.0 ja integrointia todellisiin robottijärjestelmiin ja tuntoantureihin.

Geometrian mukauttamismahdollisuus, suoratulostus joustaville alustoille ja edullisten tulostusjärjestelmien käyttö tekevät näistä musteista houkuttelevia nopeaan prototyyppien valmistukseen, tuotantoon ja uusiin sovellusalueisiin, kuten pehmeisiin robotiikkaan, puettaviin laitteisiin ja rakenteellisen terveyden seurantaan.

Tulevaisuuden suuntiin kuuluvat:

• Fotonisen sintrauksen (esim. PulseForge) käyttö erittäin pienen lämpöbudjetin sovelluksissa.
• Venymäantureiden yhdistäminen lisätoimintoihin (esim. lämpötila, paine).
• Validoitujen anturigeometrioiden kirjastojen kehittäminen nopeampaa käyttöönottoa varten OEM- ja tutkimusympäristöissä.

NovaCentrixin laajeneva materiaalivalikoima ja ekosysteemituki mahdollistavat nopean siirtymisen laboratoriomittakaavan innovaatioista skaalautuvaan valmistukseen.

8. Viitteet

1. Ratnayake et ai., IEEE FLEPS, 2021
2. Ratnayake et ai., IEEE JFlex, 2023
3. Dipon et al., FERROELECTRICS, 2023
4. Zlebic ym., Elektroniikka ja energetiikka, 2016
5. Kalafat, heettiläisten tieteen ja tekniikan aikakauslehti, 2022
6. Olowo ym., IEEE:n joustavan elektroniikan aikakauslehti, 2023

Image Credits

Kuvan lähde: Venymäliuska-aiheinen kuva , käytetty CC BY-SA 2.5 -lisenssillä.

↑ Takaisin alkuun