I ricercatori usano la stampa 3D aerosol per sviluppare estensimetri con una sensibilità senza precedenti
I ricercatori della Carnegie Mellon University, dell’Università del Texas El Paso e della Washington State University hanno recentemente fatto ricorso alla stampa 3D in un progetto che dovrebbe portare allo sviluppo di apparecchiature di misurazione elettroniche significativamente migliorate. Il team ha utilizzato la tecnica di stampa aerosol jet nel loro lavoro, che ha coinvolto la produzione di un nuovo tipo di estensimetro. Questo metodo crea strutture altamente porose e la sua applicazione ha consentito loro di migliorare la sensibilità degli indicatori a livelli senza precedenti.
Gli estensimetri sono uno degli eroi non celebrati del mondo dell’ingegneria, sono utilizzati nella misurazione di tutti i tipi di cose, dalle macchine di pesatura alle stazioni di pesatura al monitoraggio delle forze su un ponte o sull’ala di un aereo. Quando si applica una forza a un estensimetro, questo causa deformazioni. Questa deformazione strutturale porta a un cambiamento nella resistenza elettrica del materiale, e questo cambiamento consente di misurare l’esatta quantità di deformazione che la struttura sta subendo.
Gli estensimetri tendono ad essere fatti di materiale solido, e c’è uno standard comune nelle loro prestazioni noto come il rapporto di Poisson. Questo rapporto rappresenta generalmente il limite alla sensibilità di un estensimetro solido. Il rapporto di Poisson di un materiale descrive quanto un materiale si contrarrà in una direzione, quando viene allungato in un’altra direzione. Il rapporto massimo di Poisson che può avere un materiale solido è circa 0,5. Con il metodo di stampa 3D dell’aerosol jet, tuttavia, il team è stato in grado di creare una struttura di pellicola porosa. Il materiale solido è punteggiato da un numero enorme di piccoli fori, che alterano il modo in cui la struttura si comporta e aumenta il suo potenziale rapporto di possesso.
La stampa aerosol jet utilizza la focalizzazione aerodinamica a controllo digitale, per depositare con precisione l’inchiostro elettronico su un substrato. Attraverso questa sinterizzazione controllata di nanoparticelle, il processo di stampa 3D consente di determinare la porosità esatta di una struttura solida. L’uso della stampa aerosol ha permesso al team di ottimizzare la quantità di contrazione strutturale del film che viene utilizzato nell’estensimetro. Quanto più il film si contrae, tanto più sarà sensibile alla deformazione e, quindi, più accuratamente sarà in grado di misurare lo sforzo.
“A causa della porosità del film, stiamo vedendo un rapporto di Poisson efficace di circa 0,7, il che significa che abbiamo un aumento del 40% nella contrazione laterale per una determinata deformazione del film”, dice il ricercatore Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica presso la Carnegie Mellon University. “Questo rende l’estensimetro molto più sensibile alla misurazione.”
Non solo la tecnica di stampa 3D aerosol jet ha permesso al team di raggiungere nuovi livelli di sensibilità nella creazione di estensimetri, ma ha anche migliorato le prestazioni delle apparecchiature elettroniche in condizioni di alta temperatura. Gli estensimetri solidi convenzionali possono essere molto suscettibili agli errori a causa degli effetti di deformazione causati dal riscaldamento. I nuovi dispositivi stampati in 3D, tuttavia, erano interamente resistenti a questa interferenza termica. Ciò li rende ancora più accurati e aumenta la gamma di potenziali usi.
“Il motivo per cui un materiale mostrerà affaticamento termico è perché il materiale si espande naturalmente quando viene riscaldato”, afferma Panat. “Nel nostro caso, l’espansione complessiva del film poroso a causa del solo calore è molto più piccola rispetto a se fosse un film solido. I film creati con questa nuova tecnica non si espandono più di tanto, quindi riduciamo in modo significativo l’errore applicazioni di temperatura. ”
La ricerca del team è stata dettagliata in un documento intitolato “Sensori di deformazione ad alte prestazioni stampati in 3D per applicazioni ad alta temperatura”, pubblicato nel Journal of Applied Physics .