1. Jauges de contrainte imprimées sur mesure
Les jauges de contrainte jouent un rôle crucial dans la surveillance des structures, les technologies portables, la robotique et l'électronique flexible. Bien que largement utilisées, les jauges de contrainte traditionnelles sont limitées par la rigidité des substrats, la complexité des procédés d'assemblage et une personnalisation restreinte. L'électronique imprimée et les encres conductrices à base de nanoparticules offrent une alternative plus flexible : des capteurs légers, fabriqués numériquement et adaptés à une géométrie, un substrat ou une application spécifique.
Ce document technique présente le développement et la validation de jauges de contrainte imprimées à l'aide d'encres de nanoparticules d'argent NovaCentrix. Les exemples ci-dessous illustrent à la fois la validation académique et le déploiement en situation réelle.
- Deux études à l'Université de Louisville [1], [2] démonstration de l'impression par jet d'aérosol avec JS-A426, y compris la conception de jauge, l'optimisation du frittage et la mesure du facteur de jauge.
- Une étude de l'Université du Texas à San Antonio [3] d'utiliser JS-A102A, tandis qu'une étude de l'Université de Novi Sad [4] Nous avons utilisé des encres NovaCentrix optimisées pour l'impression jet d'encre afin de fabriquer rapidement des capteurs aux géométries variées.
- Deux études supplémentaires mettent en lumière des systèmes appliqués : un robot delta avec capteur de déformation intégré utilisant JS-B25P [5] et un capteur cutané robotique tactile utilisant JS-A426 [6].
2. Introduction et contexte
Les jauges de contrainte mesurent la déformation mécanique en suivant la variation de résistance d'une piste conductrice sous tension ou compression. Lorsque la piste conductrice s'étire ou se contracte, sa géométrie et sa microstructure sous-jacente se modifient, produisant une réponse électrique mesurable.
Les jauges à feuille traditionnelles restent efficaces, mais elles présentent aussi de réelles contraintes : des conventions de montage rigides, des étapes de collage adhésif, une liberté géométrique limitée et des coûts de fabrication supplémentaires lorsqu’une conception doit être modifiée rapidement.
L'électronique imprimée bouleverse cet espace de conception. Les encres conductrices peuvent être déposées directement sur des substrats flexibles, permettant des modifications géométriques au niveau logiciel, des cycles d'itération plus courts et la fabrication de capteurs sur des matériaux minces, conformes ou spécifiques à une application.
NovaCentrix propose plusieurs systèmes d'encre à nanoparticules d'argent adaptés à différentes méthodes de dépôt, de l'impression jet d'aérosol de haute précision aux flux de production jet d'encre. La validation de ces matériaux confère aux études présentées sur cette page toute leur pertinence pour les équipes d'ingénierie, de la conception à la mise en œuvre.
Facteur de jauge
Métrique de sensibilité du noyau pour les jauges de contrainte
Où ΔR représente la variation de résistance, R la résistance initiale et ε la déformation appliquée. Un facteur de jauge plus élevé indique une sensibilité accrue.
Plage de référence
3. Encres NovaCentrix pour jauges de contrainte
Les encres conductrices NovaCentrix sont conçues pour le dépôt numérique et le traitement post-impression, permettant la fabrication avancée de capteurs imprimés. Plusieurs encres à base de nanoparticules d'argent ont déjà été validées pour des applications de jauges de contrainte dans les flux de production à jet d'aérosol et à jet d'encre.
Métalon® JS-A426
Encre à nanoparticules d'argent optimisée par AJP pour l'impression de lignes fines sur des substrats flexibles tels que le PI (Kapton) et le PET. Validée pour les capteurs tactiles, les revêtements robotiques et les jauges structurelles.
Voir JS-A426Métalon® JS-A102A
Encre argentée pour impression jet d'encre à la demande Dimatix. Permet une production rapide de capteurs aux géométries variées sur Kapton, atteignant une faible résistance après frittage à basse température par étapes.
Voir JS-A102AMétalon® JS-B25P
Encre à nanoparticules d'argent pour systèmes jet d'encre professionnels et de bureau. Utilisée dans l'application de détection des articulations d'origami du robot delta, elle présente une forte adhérence sur PET.
Voir JS-B25PMétalon® JS-B25HV et JS-B15P
Encres jet d'encre validées sur polyimide et PET pour systèmes professionnels et de bureau, avec des valeurs de facteur de jauge comprises entre 1.58 et 2.03 en fonction du substrat et du nombre de couches.
Parcourez les encres pour jet d'encre4. Études de cas : Jauges de contrainte imprimées à l’aide d’encres NovaCentrix
4.1 JS-A426 via l'impression par jet d'aérosol - Université de Louisville [1] , [2]
Deux études menées par l'Université de Louisville ont démontré l'utilisation du JS-A426 associé à l'impression par jet d'aérosol pour fabriquer des jauges de contrainte sur mesure sur Kapton. Une étude complémentaire réalisée en 2023 a intégré un modèle de prédiction de la conductivité lié aux conditions de frittage, améliorant ainsi le contrôle du procédé et réduisant les tâtonnements lors de l'optimisation des conditions d'impression.
Principaux résultats
Résultats représentatifs des études sur les jets d'aérosols JS-A426.
| Imprimante | Imprimante à jet d'aérosol Optomec |
|---|---|
| Largeur de ligne | 50 à 60 µm |
| Fenêtre de frittage | 200 à 240 °C pendant 18 à 24 heures |
| Conductivité | Environ 7.05 × 106 S / m |
| Facteur de jauge | 1.85 de Géographie (2021) et avec la 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 pour la détection tactile sur substrats flexibles
Ce travail a permis d'étendre le JS-A426 à un capteur tactile en forme d'étoile intégré dans du PDMS pour les peaux robotiques. Après environ 5 000 cycles, le capteur a conservé un comportement reproductible avec un facteur de jauge proche de 1.85, démontrant ainsi sa durabilité dans des conditions dynamiques de robotique souple. [6]
4.2 JS-A102A via Inkjet Drop-on-Demand - Université du Texas à San Antonio [3]
L'étude de l'UTSA a utilisé le JS-A102A avec un système d'impression à la demande Dimatix pour explorer la fabrication rapide de capteurs. Plusieurs géométries ont été imprimées sur Kapton, produisant des résistances comprises entre 2.3 et 7.2 ohms après un frittage par étapes à 50 °C et 150 °C. Le résultat constitue un excellent exemple de prototypage rapide avec des performances électriques constantes.
4.3 JS-B25HV et JS-B15P via l'impression à jet d'encre - Université de Novi Sad [4]
Des chercheurs ont comparé des jauges de contrainte imprimées par jet d'encre avec des encres argentées NovaCentrix sur des systèmes d'impression professionnels et de bureau. Sur polyimide et PET, les jauges imprimées ont présenté des facteurs de jauge allant de 1.58 à 2.03 selon le substrat, le choix de l'encre et le nombre de couches, tout en conservant une bonne stabilité à court terme et une légère dérive à long terme.
5. Applications du monde réel
Robot Delta basé sur l'origami
Une équipe de l'Université technique d'Istanbul a intégré des jauges de contrainte imprimées (JS-B25P) dans un robot delta pliable. [5] Les capteurs, imprimés sur PET et intégrés dans des articulations en origami, permettent la mesure d'angles et le suivi de mouvements de 0° à 90° grâce à la variation de résistance, offrant ainsi un retour d'information analogique pour une commande robotique légère.
Détection tactile dans les peaux robotiques
Une jauge de contrainte en forme d'étoile, utilisant du JS-A426, a été imprimée sur du Kapton flexible et intégrée dans du PDMS pour servir de capteur tactile cutané. [6] Le capteur a présenté une réponse linéaire et reproductible sous des entrées sinusoïdales et en échelon, ce qui le rend particulièrement adapté au retour tactile et à l'intégration en robotique souple.
6. Résumé et perspectives
Dans le cadre d'études théoriques et appliquées, les encres à nanoparticules d'argent NovaCentrix ont démontré leur efficacité pour la fabrication de jauges de contrainte flexibles hautes performances grâce à divers procédés d'impression numérique. De l'impression par jet d'aérosol à l'impression par jet d'encre, et du Kapton au PET, la plateforme garantit une conductivité fiable, des performances de facteur de jauge reproductibles et une intégration aisée dans des systèmes robotiques opérationnels.
La possibilité de personnaliser la géométrie, d'imprimer directement sur des substrats flexibles et de travailler avec du matériel de dépôt relativement accessible rend ces matériaux particulièrement utiles pour le prototypage rapide, les dispositifs portables, la surveillance de l'intégrité structurelle et la robotique souple.
Le portefeuille de matériaux et l'écosystème de procédés plus larges de NovaCentrix, y compris la prise en charge du durcissement à faible budget thermique via PulseForge , offrent une voie pratique allant de la validation de la recherche à la fabrication à grande échelle.
Directions futures
- Utilisez le frittage photonique pour les applications à très faible budget thermique et les substrats thermosensibles.
- Associez la détection de déformation à des fonctions adjacentes telles que la température, la pression ou la réponse tactile.
- Développer des bibliothèques validées de géométrie de capteurs pour un déploiement plus rapide chez les équipementiers et dans la recherche.
7. Références
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[1]
Ratnayake et al. Jauges de contrainte imprimées par jet d'aérosol utilisant une encre de nanoparticules d'argent. IEEE Flex. Electron. Sens. Conf. (FLEPS) 2021.
Open source -
[2]
Ratnayake et al. Prédiction de la conductivité des encres de nanoparticules d'argent imprimées par jet d'aérosol. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source -
[3]
Dipon et al. Impression jet d'encre à la demande de jauges de contrainte utilisant de l'encre argentée. Ferroelectrics 2023.
Open source -
[4]
Zlebic et al. Analyse des performances des jauges de contrainte imprimées par jet d'encre sur des substrats flexibles. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Open source -
[5]
Kalafat. Robot Delta basé sur l'origami avec jauges de contrainte imprimées intégrées. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Open source -
[6]
Olowo et al. Capteur de déformation en forme d'étoile imprimé par jet d'aérosol pour peau tactile robotique. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source
Crédit image : illustration de jauge de contrainte adaptée de la figure source actuellement utilisée sur cette page, sous licence CC BY-SA 2.5 . Retour en haut de page
