Che sia Stampato Sforzo Indicatori?

1. Estensimetri stampati personalizzati

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 mancanza di personalizzazione. I progressi nell'elettronica stampata, in particolare con gli inchiostri conduttivi a nanoparticelle, stanno consentendo la realizzazione di una nuova classe di sensori di deformazione fabbricati digitalmente, leggeri, flessibili e specifici per ogni applicazione.

Questo white paper esamina lo sviluppo e la validazione di estensimetri stampati utilizzando inchiostri a nanoparticelle d'argento di NovaCentrix. Vengono evidenziati alcuni studi accademici:

 

 

1. Due dall'Università di Louisville (rif 1, rif 2) dimostrando stampa a getto d'aria (AJP) di estensimetri utilizzando Inchiostro JS-A426, tra cui la progettazione del calibro, l'ottimizzazione della sinterizzazione e la misurazione del fattore di calibro.
2. Uno dell'Università del Texas a San Antonio (rif 3) utilizzando Inchiostro JS-A102A e un altro dall'Università di Novi Sad (rif 4) utilizzando JS-B25HV e JS-B15P con stampa a getto d'inchiostro (drop-on-demand) per realizzare rapidamente sensori con geometrie variabili in un unico passaggio.
3. Due studi aggiuntivi mostrano applicazioni nel mondo reale: un robot Delta con rilevamento della deformazione incorporato utilizzando Modello JS-B25P (rif 5) e una pelle tattile per il rilevamento robotico utilizzando Modello JS-A426 (rif 6).

Nel complesso, questi studi dimostrano come gli inchiostri NovaCentrix supportino la prototipazione rapida, la progettazione personalizzabile dei sensori e prestazioni competitive rispetto ai misuratori commerciali, su più piattaforme di stampa.

2. Introduzione e background

Gli estensimetri sono strumenti fondamentali per misurare la deformazione meccanica di strutture e materiali. Funzionano secondo un principio semplice: quando un elemento conduttivo viene allungato o compresso, la sua geometria cambia, alterandone la resistenza elettrica. Questa variazione di resistenza può essere misurata per quantificare la deformazione.

Gli estensimetri tradizionali, solitamente composti da un foglio metallico inciso attaccato a un supporto polimerico, sono efficaci ma presentano delle limitazioni fondamentali: dipendenza da un substrato rigido, montaggio adesivo, produzione e assemblaggio complessi e limitata libertà di progettazione.

L'elettronica stampata offre un'opportunità rivoluzionaria. Grazie alla modellazione digitale di inchiostri conduttivi direttamente su substrati flessibili, è ora possibile personalizzare la geometria dei sensori a livello software, stampare su superfici curve o morbide e iterare rapidamente i progetti.

NovaCentrix offre una suite di inchiostri a nanoparticelle metalliche, tra cui sistemi a base di argento, rame e leghe, studiati appositamente per specifiche piattaforme di stampa. I loro inchiostri sono progettati per soddisfare i rigorosi requisiti dell'elettronica stampata.

3. Inchiostri NovaCentrix per estensimetri

Gli inchiostri conduttivi di NovaCentrix sono progettati per la deposizione digitale e l'elaborazione post-stampa, supportando la produzione avanzata di sensori stampati. Diversi inchiostri a nanoparticelle d'argento di NovaCentrix sono stati validati nella ricerca accademica per l'uso in applicazioni con estensimetri.

• Modello JS-A426: Inchiostro argento ottimizzato AJP per la stampa a linee sottili su substrati flessibili.
• JS-A102A, JS-B25P, JS-B25HV e JS-B15P: Inchiostro argento ottimizzato per getto d'inchiostro per la prototipazione rapida.

4. Casi di studio: estensimetri stampati utilizzando inchiostri NovaCentrix

4.1 JS-A426 tramite stampa a getto d'aria (Università di Louisville)

Due studi dell'Università di Louisville hanno dimostrato l'uso di JS-A426 con stampa a getto d'aria per realizzare estensimetri personalizzati su Kapton.

Il follow-up del 2023 ha inoltre introdotto un modello di previsione della conduttività basato sulle condizioni di sinterizzazione, migliorando il controllo del processo per diversi substrati.

4.1.2 JS-A426 per il rilevamento tattile su substrati flessibili

Questo lavoro ha ampliato l'uso del JS-A426 per realizzare un sensore tattile omnidirezionale incorporato in PDMS per pelli robotiche. Utilizzando un pattern a forma di stella e un incapsulamento specifico, il sensore ha raggiunto prestazioni robuste a meno di 5000 cicli con un fattore di gauge di circa 1.85, dimostrando la sua idoneità per ambienti robotici dinamici.

4.2 JS-A102A tramite Inkjet Drop-on-Demand (Università del Texas a San Antonio)

Questo studio ha utilizzato il JS-A102A con una stampante a getto d'inchiostro Dimatix DOD per esplorare la fabbricazione rapida di sensori. Diverse geometrie sono state stampate su Kapton, ottenendo resistenze comprese tra 2.3 e 7.2 Ω dopo la sinterizzazione a 50 °C e 150 °C in sequenza. Questo approccio ha dimostrato tempi di consegna rapidi e uniformità, ideali per la prototipazione di sensori di deformazione in layout diversi.

4.3 JS-B25HV e JS-B15P tramite stampa a getto d'inchiostro (Università di Novi Sad)

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni degli inchiostri JS-B25HV e JS-B15P stampati con sistemi a getto d'inchiostro professionali e desktop. Su poliimmide e PET, i sensori hanno raggiunto valori di GF da 1.58 a 2.03 a seconda dell'inchiostro, del substrato e del numero di strati. La durata e la stabilità sono state buone nel breve termine, con una lieve deriva della resistenza nell'arco di oltre 2 mesi.

5. Applicazione nel mondo reale: estensimetri stampati in un robot Delta basato su origami

Un team dell'Università Tecnica di Istanbul ha integrato estensimetri stampati utilizzando JS-B25P in un robot Delta pieghevole. I sensori sono stati stampati su PET e incorporati in giunti origami per la misurazione degli angoli. Hanno tracciato con successo il movimento da 0° a 90° tramite variazione di resistenza, consentendo un feedback analogico per il controllo a circuito chiuso in sistemi robotici leggeri.

6. Applicazione nel mondo reale: JS-A426 per il rilevamento tattile nelle pelli robotiche

Un estensimetro a forma di stella realizzato con JS-A426 è stato stampato su Kapton flessibile e incorporato in PDMS per fungere da sensore tattile cutaneo. Progettato per una sensibilità omnidirezionale, ha ottenuto una risposta lineare e ripetibile con input sinusoidali e a gradino. Il sensore ha dimostrato un'eccellente durata e capacità di integrazione di sistema per la robotica morbida.

7. Riepilogo e prospettive

In una vasta gamma di studi di ricerca accademica e applicata, gli inchiostri a nanoparticelle d'argento NovaCentrix si sono dimostrati efficaci nella fabbricazione di estensimetri flessibili e ad alte prestazioni utilizzando molteplici metodi di stampa digitale. Dal getto d'aerosol al getto d'inchiostro, dal Kapton al PET, questi inchiostri hanno dimostrato una conduttività affidabile, valori di fattore di gauge ripetibili nell'intervallo 1.7-2.0 e integrazione in sistemi robotici e sensori tattili reali.

La possibilità di personalizzare la geometria, stampare direttamente su substrati flessibili e utilizzare sistemi di stampa a basso costo rende questi inchiostri interessanti per la prototipazione rapida, la produzione e nuovi ambiti applicativi quali la robotica morbida, i dispositivi indossabili e il monitoraggio della salute strutturale.

Le direzioni future includono:

• Utilizzo della sinterizzazione fotonica (ad esempio, PulseForge) per applicazioni a budget termico estremamente basso.
• Combinazione di sensori di deformazione con funzioni aggiuntive (ad esempio temperatura, pressione).
• Sviluppo di librerie di geometrie di sensori convalidate per una distribuzione più rapida in contesti OEM e di ricerca.

Il portafoglio di materiali in espansione di NovaCentrix e il supporto dell'ecosistema consentono di passare rapidamente dall'innovazione su scala di laboratorio alla produzione scalabile.

8. Riferimenti

1. Ratnayake et al., IEEE FLEPS, 2021
2. Ratnayake et al., IEEE JFlex, 2023
3. Dipon et al., FERROELETTRICO, 2023
4. Zlebic et al., Elettronica ed Energetica, 2016
5. Kalafat, Rivista ittita di scienza e ingegneria, 2022
6. Olowo et al., IEEE Journal on Flexible Electronics, 2023

Crediti Image

Immagine sorgente: Illustrazione dell'estensimetro, utilizzato sotto CC BY-SA 2.5.

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