1. Estensimetri personalizzati stampati
Gli estensimetri svolgono un ruolo fondamentale nel monitoraggio strutturale, nella tecnologia indossabile, nella robotica e nell'elettronica flessibile. Gli estensimetri tradizionali, sebbene ampiamente utilizzati, sono limitati da substrati rigidi, processi di assemblaggio complessi e possibilità di personalizzazione ridotte. L'elettronica stampata e gli inchiostri conduttivi a nanoparticelle aprono una strada più flessibile: sensori leggeri, realizzati digitalmente e ottimizzati per una geometria, un substrato o un'applicazione specifici.
Questo white paper esamina lo sviluppo e la validazione di estensimetri stampati utilizzando inchiostri a nanoparticelle d'argento NovaCentrix. Gli esempi seguenti illustrano sia la validazione accademica che l'implementazione orientata alle applicazioni.
- Due studi dell'Università di Louisville [1], [2] dimostrare la stampa a getto di aerosol con Modello JS-A426, tra cui la progettazione del calibro, l'ottimizzazione della sinterizzazione e la misurazione del fattore di calibro.
- Uno studio dell'Università del Texas a San Antonio [3] utilizzato Modello JS-A102A, mentre uno studio dell'Università di Novi Sad [4] Abbiamo utilizzato inchiostri NovaCentrix ottimizzati per la stampa a getto d'inchiostro per fabbricare rapidamente sensori di varie geometrie.
- Due ulteriori studi mettono in evidenza i sistemi applicati: un robot delta con rilevamento della deformazione incorporato utilizzando Modello JS-B25P [5] e un sensore tattile robotico per la pelle che utilizza Modello JS-A426 [6].
2. Introduzione e background
Gli estensimetri misurano la deformazione meccanica monitorando come la resistenza di una traccia conduttiva cambia sotto tensione o compressione. Quando il percorso conduttivo si allunga o si contrae, sia la geometria del conduttore che la microstruttura sottostante si modificano, producendo una risposta elettrica misurabile.
I tradizionali misuratori a lamina rimangono efficaci, ma presentano anche dei limiti concreti: rigide convenzioni di montaggio, fasi di incollaggio, limitata libertà geometrica e costi di produzione aggiuntivi quando è necessario modificare rapidamente il progetto.
L'elettronica stampata cambia radicalmente questo spazio di progettazione. Gli inchiostri conduttivi possono essere depositati direttamente su substrati flessibili, consentendo modifiche geometriche a livello software, cicli di iterazione più rapidi e la fabbricazione di sensori su materiali sottili, conformabili o specifici per l'applicazione.
NovaCentrix offre diversi sistemi di inchiostro a nanoparticelle d'argento, ottimizzati per differenti metodi di deposizione, dalla stampa a getto di aerosol a linee sottili ai flussi di lavoro inkjet orientati alla produzione. Sono proprio questi materiali validati a rendere gli studi presentati in questa pagina rilevanti per i team di ingegneri che passano dalla fase concettuale a quella di implementazione.
Fattore di misura
Metrica di sensibilità fondamentale per gli estensimetri
Dove ΔR è la variazione di resistenza, R è la resistenza originale e ε è la deformazione applicata. Un fattore di sensibilità maggiore indica una maggiore sensibilità.
Intervallo di riferimento
3. Inchiostri NovaCentrix per estensimetri
Gli inchiostri conduttivi NovaCentrix sono progettati per la deposizione digitale e la post-elaborazione, supportando la produzione avanzata di sensori stampati. Diversi inchiostri a base di nanoparticelle d'argento sono già stati validati per applicazioni con estensimetri in flussi di lavoro a getto di aerosol e a getto d'inchiostro.
Metallone® Modello JS-A426
Inchiostro a nanoparticelle d'argento ottimizzato con tecnologia AJP per la stampa di linee sottili su substrati flessibili, tra cui PI (Kapton) e PET. Validato per sensori tattili, rivestimenti robotici e strumenti di misura strutturali.
Visualizza JS-A426Metallone® Modello JS-A102A
Inchiostro argentato per la stampa a getto d'inchiostro a goccia su richiesta di Dimatix. Consente tempi di realizzazione rapidi di sensori con geometrie diverse su Kapton, raggiungendo una bassa resistenza dopo una sinterizzazione a bassa temperatura a fasi.
Visualizza JS-A102AMetallone® Modello JS-B25P
Inchiostro a nanoparticelle d'argento per sistemi inkjet professionali e desktop. Utilizzato nell'applicazione di rilevamento delle giunture origami del robot delta, con forte adesione su PET.
Visualizza JS-B25PMetallone® JS-B25HV e JS-B15P
Inchiostri a getto d'inchiostro validati su poliimmide e PET su sistemi professionali e desktop, con valori del fattore di calibro compresi tra 1.58 e 2.03 a seconda del substrato e del numero di strati.
Scopri gli inchiostri a getto d'inchiostro4. Casi di studio: Estensimetri stampati con inchiostri NovaCentrix
4.1 JS-A426 tramite stampa a getto di aerosol - Università di Louisville [1] , [2]
Due studi dell'Università di Louisville hanno dimostrato l'utilizzo del JS-A426 con la stampa a getto di aerosol per fabbricare estensimetri personalizzati su Kapton. Il successivo studio del 2023 ha aggiunto un modello di previsione della conduttività legato alle condizioni di sinterizzazione, migliorando il controllo del processo e riducendo i tentativi ed errori per nuove condizioni di stampa.
Risultati chiave
Risultati rappresentativi degli studi sul getto di aerosol JS-A426.
| Stampante | stampante a getto aerosol Optomc |
|---|---|
| Larghezza della linea | da 50 a 60 µm |
| Finestra di sinterizzazione | Da 200 a 240 °C per 18-24 ore |
| Conducibilità | Circa 7.05 × 106 S / m |
| Fattore di misura | 1.85 (2021) e 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 per il rilevamento tattile su substrati flessibili
Questo lavoro ha esteso JS-A426 in un sensore tattile a forma di stella incorporato in PDMS per pelli robotiche. Dopo circa 5,000 cicli, il sensore ha mantenuto un comportamento ripetibile con un fattore di gauge vicino a 1.85, dimostrando durabilità in condizioni dinamiche di robotica morbida. [6]
4.2 JS-A102A tramite Inkjet Drop-on-Demand - Università del Texas a San Antonio [3]
Lo studio condotto presso l'UTSA ha utilizzato il sensore JS-A102A con un sistema di stampa a goccia su richiesta Dimatix per esplorare la fabbricazione rapida di sensori. Sono state stampate diverse geometrie su Kapton, ottenendo resistenze comprese tra 2.3 e 7.2 ohm dopo una sinterizzazione a fasi successive a 50 °C e 150 °C. Il risultato è un valido esempio di prototipazione rapida con prestazioni elettriche costanti.
4.3 JS-B25HV e JS-B15P tramite stampa a getto d'inchiostro - Università di Novi Sad [4]
I ricercatori hanno confrontato estensimetri stampati a getto d'inchiostro con inchiostri all'argento NovaCentrix su sistemi di stampa professionali e desktop. Su poliimmide e PET, gli estensimetri stampati hanno fornito valori del fattore di estensimetria compresi tra 1.58 e 2.03 a seconda del substrato, della selezione dell'inchiostro e del numero di strati, mantenendo al contempo una buona stabilità a breve termine con una deriva a lungo termine solo lieve.
5. Applicazioni del mondo reale
Robot Delta basato sull'origami
Un team dell'Università Tecnica di Istanbul ha integrato estensimetri stampati utilizzando JS-B25P in un robot delta pieghevole. [5] I sensori sono stati stampati su PET e incorporati in giunti origami per la misurazione dell'angolo, tracciando con successo il movimento da 0° a 90° tramite la variazione di resistenza e consentendo il feedback analogico per il controllo robotico leggero.
Rilevamento tattile nelle pelli robotiche
Un estensimetro a forma di stella realizzato con JS-A426 è stato stampato su Kapton flessibile e incorporato nel PDMS per fungere da sensore tattile per la pelle. [6] Il sensore ha mostrato una risposta lineare e ripetibile sotto input sinusoidali e a gradino, rendendolo particolarmente adatto per il feedback tattile e l'integrazione nella robotica morbida.
6. Riepilogo e prospettive
In numerosi studi accademici e applicati, gli inchiostri a nanoparticelle d'argento di NovaCentrix si sono dimostrati efficaci per la fabbricazione di estensimetri flessibili ad alte prestazioni utilizzando molteplici processi di stampa digitale. Dalla stampa a getto aerosol a quella a getto d'inchiostro, dal Kapton al PET, la piattaforma garantisce una conduttività affidabile, prestazioni ripetibili del fattore di estensimetria e integrazione in sistemi robotici operativi.
La possibilità di personalizzare la geometria, stampare direttamente su substrati flessibili e lavorare con hardware di deposizione relativamente accessibile rende questi materiali particolarmente utili per la prototipazione rapida, i dispositivi indossabili, il monitoraggio strutturale e la robotica morbida.
L'ampio portafoglio di materiali e l'ecosistema di processi di NovaCentrix, incluso il supporto per la polimerizzazione a basso budget termico tramite PulseForge , offrono un percorso pratico dalla validazione della ricerca alla produzione su larga scala.
Direzioni future
- Utilizzare la sinterizzazione fotonica per applicazioni con budget termico estremamente ridotto e substrati termosensibili.
- Combinare il rilevamento della deformazione con funzioni adiacenti come temperatura, pressione o risposta tattile.
- Sviluppare librerie validate di geometrie di sensori per una più rapida implementazione da parte di OEM e ricercatori.
7. Referenze
-
[1]
Ratnayake e altri. Estensimetri stampati con getto di aerosol utilizzando inchiostro a nanoparticelle d'argento. IEEE Flex. Electron. Sens. Conf. (FLEPS) 2021.
Open source -
[2]
Ratnayake e altri. Previsione della conduttività per inchiostri a nanoparticelle d'argento stampati con tecnologia aerosol jet. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source -
[3]
Dipon e altri. Stampa a getto d'inchiostro a goccia su richiesta di estensimetri utilizzando inchiostro d'argento. Ferroelectrics 2023.
Open source -
[4]
Zlebic e altri. Analisi delle prestazioni di estensimetri stampati a getto d'inchiostro su substrati flessibili. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Open source -
[5]
Kalafat. Robot Delta basato sull'origami con estensimetri stampati integrati. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Open source -
[6]
Olowo e altri. Sensore di deformazione a forma di stella stampato con getto di aerosol per pelle tattile robotica. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Open source
Crediti immagine: illustrazione estensimetrica adattata dalla fonte dell'immagine attualmente utilizzata in questa pagina, con attribuzione CC BY-SA 2.5 . Torna all'inizio
