Wat Zijn Bedrukt Spanning Meters?

1. Op maat gemaakte rekstrookjes

Rekstrookjes spelen een cruciale rol bij structurele monitoring, draagbare technologie, robotica en flexibele elektronica. Traditionele rekstrookjes worden weliswaar veel gebruikt, maar worden beperkt door rigide substraten, complexe assemblageprocessen en een gebrek aan maatwerk. Vooruitgang in geprinte elektronica – met name met geleidende nanodeeltjesinkt – maakt een nieuwe klasse digitaal vervaardigde rekstrookjes mogelijk die lichtgewicht, flexibel en toepassingsspecifiek zijn.

Deze whitepaper bespreekt de ontwikkeling en validatie van geprinte rekstrookjes met zilvernanodeeltjesinkt van NovaCentrix. Enkele academische studies worden uitgelicht:

 

 

1. Twee van de Universiteit van Louisville (ref. 1, ref. 2) demonstreren aerosol jetprinten (AJP) van rekstrookjes met behulp van JS-A426 inkt, inclusief het ontwerp van de meter, de optimalisatie van het sinteren en het meten van de meterfactor.
2. Eén van de Universiteit van Texas in San Antonio (ref. 3) gebruik makend van JS-A102A inkt en nog een van de Universiteit van Novi Sad (ref. 4) met behulp van JS-B25HV en JS-B15P met inkjetprinten (drop-on-demand) om snel geometrisch gevarieerde sensoren in één doorgang te vervaardigen.
3. Twee aanvullende onderzoeken laten toepassingen in de echte wereld zien: een Delta-robot met ingebouwde spanningssensor die JS-B25P (ref. 5) en een tactiele huid voor robotische detectie met behulp van JS-A426 (ref. 6).

Samen laten deze onderzoeken zien hoe NovaCentrix-inkten snelle prototyping, aanpasbaar sensorontwerp en prestaties ondersteunen die concurreren met commerciële meters, op verschillende printplatforms.

2. Inleiding en achtergrond

Rekstrookjes zijn fundamentele hulpmiddelen voor het meten van mechanische vervorming in structuren en materialen. Ze werken volgens een eenvoudig principe: wanneer een geleidend element wordt uitgerekt of samengedrukt, verandert de geometrie ervan, wat de elektrische weerstand verandert. Deze verandering in weerstand kan worden gemeten om de rek te kwantificeren.

Traditionele rekstrookjes, doorgaans samengesteld uit geëtst metaalfolie op een polymeeronderlaag, zijn effectief, maar hebben belangrijke beperkingen: ze vereisen een stijf substraat, moeten met lijm worden bevestigd, de productie en montage zijn complex en de ontwerpvrijheid is beperkt.

Geprinte elektronica biedt een transformatieve kans. Door geleidende inkt digitaal direct op flexibele substraten aan te brengen, is het nu mogelijk om sensorgeometrie op softwareniveau aan te passen, op gebogen of zachte oppervlakken te printen en snel door ontwerpen te itereren.

NovaCentrix biedt een reeks metaalnanodeeltjesinkten – waaronder zilver-, koper- en legeringssystemen – afgestemd op specifieke printplatforms. Hun inkten zijn ontworpen om te voldoen aan de strenge eisen van geprinte elektronica.

3. NovaCentrix-inkten voor rekstrookjes

De geleidende inkten van NovaCentrix zijn ontwikkeld voor digitale depositie en nabewerking en ondersteunen de geavanceerde productie van geprinte sensoren. Verschillende zilvernanodeeltjesinkten van NovaCentrix zijn in academisch onderzoek gevalideerd voor gebruik in rekstrooktoepassingen.

• JS-A426: AJP-geoptimaliseerde zilverinkt voor het afdrukken van fijne lijnen op flexibele substraten.
• JS-A102A, JS-B25P, JS-B25HV en JS-B15P: Inkjet-geoptimaliseerde zilverinkt voor snelle prototyping.

4. Casestudies: bedrukte rekstrookjes met NovaCentrix-inkten

4.1 JS-A426 via Aerosol Jet Printing (Universiteit van Louisville)

Twee onderzoeken van de Universiteit van Louisville tonen aan dat JS-A426 met aerosoljetprinten wordt gebruikt om op maat gemaakte rekstrookjes op Kapton te maken.

In het vervolgonderzoek uit 2023 werd ook een model voor de voorspelling van de geleidbaarheid geïntroduceerd, gebaseerd op sinteromstandigheden. Hiermee werd de procesbeheersing voor uiteenlopende substraten verbeterd.

4.1.2 JS-A426 voor tactiele detectie op flexibele substraten

Dit werk breidde het gebruik van JS-A426 uit om een omnidirectionele tactiele sensor te fabriceren die is ingebed in PDMS voor robothuiden. Door gebruik te maken van een stervormig patroon en inkapseling, behaalde de sensor robuuste prestaties gedurende 5000 cycli met een meetfactor van ~1.85, wat zijn bruikbaarheid voor dynamische robotomgevingen aantoont.

4.2 JS-A102A via inkjet drop-on-demand (Universiteit van Texas in San Antonio)

In deze studie werd de JS-A102A met een Dimatix DOD-inkjetprinter gebruikt om snelle sensorfabricage te onderzoeken. Meerdere geometrieën werden op Kapton geprint, met weerstanden tussen 2.3 en 7.2 Ω na opeenvolgende sintering bij 50 °C en 150 °C. Deze aanpak toonde een snelle doorlooptijd en consistentie, ideaal voor het maken van prototypes van reksensoren in verschillende lay-outs.

4.3 JS-B25HV en JS-B15P via inkjetprinten (Universiteit van Novi Sad)

Onderzoekers vergeleken de prestaties van JS-B25HV- en JS-B15P-inkten, geprint met professionele en desktop inkjetsystemen. Op polyimide en PET bereikten de sensoren GF-waarden van 1.58 tot 2.03, afhankelijk van de inkt, het substraat en het aantal lagen. De duurzaamheid en stabiliteit waren goed op korte termijn, met een lichte weerstandsdrift gedurende meer dan 2 maanden.

5. Toepassing in de praktijk: geprinte rekstrookjes in een op origami gebaseerde deltarobot

Een team van de Technische Universiteit van Istanbul integreerde geprinte rekstrookjes met behulp van JS-B25P in een opvouwbare Delta-robot. De sensoren werden geprint op PET en ingebed in origami-gewrichten voor hoekmeting. Ze volgden met succes bewegingen van 0° tot 90° via weerstandsverandering, wat analoge feedback mogelijk maakte voor closed-loop-regeling in lichtgewicht robotsystemen.

6. Toepassing in de praktijk: JS-A426 voor tactiele detectie in robothuiden

Een stervormige rekstrook met JS-A426 werd geprint op flexibele Kapton en ingebed in PDMS om te fungeren als een tactiele huidsensor. Ontworpen voor omnidirectionele gevoeligheid, behaalde het een lineaire en herhaalbare respons bij sinusvormige en stapsgewijze invoer. De sensor toonde uitstekende duurzaamheid en systeemintegratiemogelijkheden voor zachte robotica.

7. Samenvatting en vooruitzichten

In diverse academische en toegepaste onderzoeken hebben NovaCentrix zilvernanodeeltjesinkten hun effectiviteit bewezen bij de productie van hoogwaardige, flexibele rekstrookjes met behulp van diverse digitale printmethoden. Van aerosoljet tot inkjet, en van Kapton tot PET, deze inkten hebben een betrouwbare geleidbaarheid, herhaalbare ijkfactorwaarden in het bereik van 1.7 tot 2.0 en integratie in echte robotsystemen en tactiele sensoren aangetoond.

Deze inkten zijn aantrekkelijk voor rapid prototyping, productie en nieuwe toepassingsgebieden, zoals zachte robotica, wearables en structurele gezondheidsbewaking, omdat de geometrie kan worden aangepast, er direct op flexibele substraten kan worden geprint en er gebruik kan worden gemaakt van voordelige printsystemen.

Toekomstige richtingen zijn onder meer:

• Gebruik van fotonisch sinteren (bijv. PulseForge) voor toepassingen met een extreem laag thermisch budget.
• Combineren van reksensoren met extra functies (bijv. temperatuur, druk).
• Het ontwikkelen van bibliotheken met gevalideerde sensorgeometrieën voor snellere implementatie in OEM- en onderzoeksomgevingen.

Dankzij het groeiende materialenportfolio en de ecosysteemondersteuning van NovaCentrix is het mogelijk om snel van innovatie op laboratoriumschaal over te gaan op schaalbare productie.

8. Referenties

1. Ratnayake et al., IEEE FLEPS, 2021
2. Ratnayake et al., IEEE JFlex, 2023
3. Dipon et al., FERROELECTRICS, 2023
4. Zlebic et al., Elektronica en Energetica, 2016
5. Kalafat, Hettitische tijdschrift voor wetenschap en techniek, 2022
6. Olowo et al., IEEE Journal on Flexible Electronics, 2023

Beeldkredieten

Afbeeldingbron: Illustratie van een rekstrookje , gebruikt onder CC BY-SA 2.5.

↑ Terug naar boven