1. Niestandardowe czujniki tensometryczne drukowane
Tensometry odgrywają kluczową rolę w monitorowaniu konstrukcji, technologii noszonej, robotyce i elastycznej elektronice. Tradycyjne tensometry, choć powszechnie stosowane, są ograniczone przez sztywne podłoża, złożone procesy montażu i ograniczone możliwości personalizacji. Drukowana elektronika i przewodzące tusze nanocząsteczkowe otwierają bardziej elastyczną drogę: lekkie, cyfrowo wytwarzane czujniki, dostrojone do konkretnej geometrii, podłoża lub zastosowania.
Niniejszy dokument techniczny omawia rozwój i walidację drukowanych tensometrów z wykorzystaniem atramentów nanocząsteczkowych srebra NovaCentrix. Poniższe przykłady przedstawiają zarówno walidację akademicką, jak i wdrożenie zorientowane na zastosowania praktyczne.
- Dwa badania na Uniwersytecie Louisville [1], [2] zaprezentuj drukowanie aerozolowe za pomocą JS-A426, w tym projektowanie wzorców, optymalizacja spiekania i pomiar współczynnika wzorca.
- Jedno badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Teksańskim w San Antonio [3] używany JS-A102Apodczas gdy badanie Uniwersytetu w Nowym Sadzie [4] wykorzystali zoptymalizowane pod kątem druku atramentowego tusze NovaCentrix do szybkiej produkcji czujników o różnej geometrii.
- Dwa dodatkowe badania podkreślają zastosowane systemy: robot delta z wbudowanym czujnikiem naprężeń wykorzystującym JS-B25P [5] i dotykowy czujnik skóry robota wykorzystujący JS-A426 [6].
2. Wprowadzenie i tło
Tensometry mierzą odkształcenie mechaniczne, śledząc, jak ścieżka przewodząca zmienia rezystancję pod wpływem rozciągania lub ściskania. Wraz z rozciąganiem lub kurczeniem się ścieżki przewodzącej, zarówno geometria przewodnika, jak i jego mikrostruktura ulegają zmianie, generując mierzalną odpowiedź elektryczną.
Tradycyjne sprawdziany foliowe pozostają skuteczne, ale wiążą się z nimi pewne ograniczenia: sztywne konwencje montażu, etapy łączenia klejem, ograniczona swoboda geometrii i narzut produkcyjny w przypadku konieczności szybkiej zmiany projektu.
Drukowana elektronika zmienia przestrzeń projektową. Tusze przewodzące można nanosić bezpośrednio na elastyczne podłoża, co umożliwia zmiany geometrii na poziomie oprogramowania, ściślejsze pętle iteracyjne oraz produkcję czujników na cienkich, konformalnych lub specjalistycznych materiałach.
NovaCentrix oferuje wiele systemów atramentowych z nanocząsteczkami srebra, dostosowanych do różnych metod nanoszenia, od druku aerozolowego z cienką linią po procesy druku atramentowego zorientowane na produkcję. To właśnie te sprawdzone materiały sprawiają, że badania przedstawione na tej stronie są istotne dla zespołów inżynierskich, przechodzących od koncepcji do wdrożenia.
Współczynnik wskaźnika
Metryka czułości rdzenia dla tensometrów
Gdzie ΔR jest zmianą oporu, R jest oryginalnym oporem i ε to przyłożone odkształcenie. Większy współczynnik pomiaru oznacza wyższą czułość.
Zakres odniesienia
3. Tusze NovaCentrix do czujników tensometrycznych
Atramenty przewodzące NovaCentrix zostały opracowane z myślą o cyfrowym osadzaniu i obróbce po druku, wspierając zaawansowaną produkcję czujników drukowanych. Wiele atramentów z nanocząsteczkami srebra zostało już przetestowanych pod kątem zastosowań tensometrycznych w procesach druku aerozolowego i atramentowego.
Metalon® JS-A426
Zoptymalizowany pod kątem AJP atrament z nanocząsteczkami srebra do druku cienkich linii na elastycznych podłożach, w tym PI (Kapton) i PET. Zweryfikowany pod kątem czujników dotykowych, powłok robotów i wskaźników strukturalnych.
Zobacz JS-A426Metalon® JS-A102A
Srebrny atrament do druku atramentowego Dimatix metodą „kropla na żądanie”. Umożliwia szybką produkcję czujników o różnej geometrii na Kaptonie, osiągając niską rezystancję po stopniowym spiekaniu w niskiej temperaturze.
Zobacz JS-A102AMetalon® JS-B25P
Atrament z nanocząsteczkami srebra do profesjonalnych i stacjonarnych systemów atramentowych. Stosowany w robotach delta do wykrywania połączeń origami, z silną przyczepnością do PET.
Zobacz JS-B25PMetalon® JS-B25HV i JS-B15P
Atramenty do druku atramentowego przetestowane na poliimidzie i PET w systemach profesjonalnych i stacjonarnych, ze współczynnikiem gęstości od 1.58 do 2.03 w zależności od podłoża i liczby warstw.
Przeglądaj tusze do drukarek atramentowych4. Studia przypadków: Tensometry drukowane z wykorzystaniem atramentów NovaCentrix
4.1 JS-A426 przez drukowanie strumieniowe aerozolu – Uniwersytet w Louisville [1], [2]
Dwa badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Louisville wykazały, że stosowanie JS-A426 z drukiem aerozolowym do produkcji niestandardowych tensometrów na Kaptonie. W kolejnym projekcie z 2023 roku dodano model przewidywania przewodnictwa powiązany z warunkami spiekania, co usprawniło kontrolę procesu i ograniczyło konieczność prób i błędów przy nowych warunkach drukowania.
Kluczowe wyniki
Wyniki reprezentatywne dla badań strumienia aerozolu JS-A426.
| Drukarka | Drukarka aerozolowa Optomec |
|---|---|
| Szerokość linii | 50 do 60 µm |
| Okno spiekania | 200 do 240°C przez 18 do 24 godzin |
| Przewodność | Około 7.05 × 106 s/m |
| Współczynnik wskaźnika | 1.85 (2021) i 1.74 (2023) |
4.1.2 JS-A426 do pomiaru dotyku na podłożach elastycznych
Ta praca została rozszerzona JS-A426 w czujnik dotykowy w kształcie gwiazdy osadzony w systemie PDMS do skór robotów. Po około 5,000 cykli czujnik zachowywał powtarzalne zachowanie ze współczynnikiem kalibracji bliskim 1.85, co świadczy o jego trwałości w dynamicznych warunkach miękkiej robotyki. [6]
4.2 JS-A102A przez drukarkę atramentową Drop-on-Demand – Uniwersytet Teksański w San Antonio [3]
W badaniu UTSA wykorzystano JS-A102A z systemem Dimatix drop-on-demand, aby zbadać możliwości szybkiej produkcji czujników. Na Kaptonie wydrukowano wiele geometrii, uzyskując rezystancję od 2.3 do 7.2 oma po stopniowym spiekaniu w temperaturze 50°C i 150°C. Rezultatem jest solidny przykład szybkiego prototypowania o spójnych parametrach elektrycznych.
4.3 JS-B25HV i JS-B15P poprzez druk atramentowy – Uniwersytet w Nowym Sadzie [4]
Naukowcy porównali tensometry wydrukowane metodą atramentową z wykorzystaniem srebrnych atramentów NovaCentrix w profesjonalnych i stacjonarnych systemach druku. Na poliimidzie i PET, wydrukowane tensometry charakteryzowały się wartościami współczynnika kalibracji od 1.58 do 2.03, w zależności od podłoża, wybranego atramentu i liczby warstw, zachowując jednocześnie dobrą stabilność krótkoterminową z jedynie niewielkim dryftem długoterminowym.
5. Aplikacje w świecie rzeczywistym
Robot Delta oparty na origami
Zespół z Uniwersytetu Technicznego w Stambule zintegrował drukowane tensometry przy użyciu JS-B25P w składanego robota typu delta. [5] Czujniki wydrukowano na PET i osadzono w złączach origami w celu pomiaru kąta, co pozwoliło na skuteczne śledzenie ruchu w zakresie od 0° do 90° poprzez zmianę oporu i umożliwiło analogowe sprzężenie zwrotne do sterowania lekkimi robotami.
Wyczuwanie dotyku w skórze robota
Tensometr w kształcie gwiazdy wykorzystujący JS-A426 został wydrukowany na elastycznym Kaptonie i osadzony w PDMS, aby pełnić funkcję czujnika dotyku skóry. [6] Czujnik wykazał liniową, powtarzalną reakcję przy sygnałach sinusoidalnych i skokowych, co czyni go doskonałym wyborem do sprzężenia zwrotnego dotykowego i integracji z robotyką miękką.
6. Podsumowanie i perspektywy
Badania akademickie i stosowane wykazały, że tusze nanocząsteczkowe srebra NovaCentrix skutecznie sprawdzają się w produkcji wysokowydajnych, elastycznych tensometrów z wykorzystaniem wielu procesów druku cyfrowego. Od druku aerozolowego po druk atramentowy, od Kaptonu po PET, platforma zapewnia niezawodną przewodność, powtarzalność współczynnika kalibracji oraz integrację z działającymi systemami robotycznymi.
Możliwość dostosowywania geometrii, drukowania bezpośrednio na elastycznych podłożach i pracy ze stosunkowo łatwo dostępnym sprzętem do osadzania sprawia, że materiały te są szczególnie przydatne w szybkim prototypowaniu, urządzeniach noszonych, monitorowaniu stanu konstrukcji i miękkiej robotyce.
Szersze portfolio materiałów i ekosystem procesów firmy NovaCentrix, w tym obsługa utwardzania przy niskim budżecie cieplnym PulseForge, zapewnia praktyczną ścieżkę od walidacji badań do skalowalnej produkcji.
Przyszłe kierunki
- Wykorzystaj spiekanie fotoniczne w zastosowaniach wymagających bardzo niskiego budżetu cieplnego i w podłożach wrażliwych na ciepło.
- Połącz pomiar naprężeń z funkcjami pokrewnymi, takimi jak pomiar temperatury, ciśnienia lub reakcji na dotyk.
- Opracuj sprawdzone biblioteki geometrii czujników, aby przyspieszyć wdrażanie OEM i badań.
7. Referencje
-
[1]
Ratnayake i in. Czujniki tensometryczne drukowane metodą aerozolową z wykorzystaniem atramentu z nanocząsteczkami srebra. Konferencja IEEE Flex. Electron. Sens. (FLEPS) 2021.
Otwarte źródło -
[2]
Ratnayake i in. Prognozowanie przewodnictwa dla atramentów z nanocząsteczkami srebra drukowanych strumieniowo w aerozolu. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Otwarte źródło -
[3]
Dipon i in. Drukowanie atramentowe tensometrów metodą „drop-on-demand” przy użyciu atramentu srebrnego. Ferroelectrics 2023.
Otwarte źródło -
[4]
Zlebic i in. Analiza wydajności czujników tensometrycznych drukowanych atramentowo na podłożach elastycznych. Facta Univ., Ser. Electron. Energ. 2016.
Otwarte źródło -
[5]
Kalafat. Robot Delta oparty na origami ze zintegrowanymi, drukowanymi tensometrami. Hittite J. Sci. Eng. 2022.
Otwarte źródło -
[6]
Olowo i in. Czujnik naprężeń w kształcie gwiazdy drukowany strumieniowo aerozolem do robotycznej skóry dotykowej. IEEE J. Flex. Electron. 2023.
Otwarte źródło
Źródło obrazu: ilustracja tensometryczna zaadaptowana ze źródła rysunku obecnie używanego na tej stronie, przypisanego pod CC BY-SA 2.5. Powrót do góry
