Regolazione del disegno, del materiale e dei parametri di un estensimetro stampato in 3D con simulazione computazionale

Un trio di ricercatori del  Centro di Singapore per la stampa 3D presso la Nanyang Technological University ha recentemente pubblicato un documento intitolato ” Sensore di strappo aerosol stampato: studi di simulazione che analizzano l’effetto della dimensione e del design sulle prestazioni ” sul loro lavoro nell’uso della simulazione computazionale per regolare il design, il materiale e i parametri di un estensimetro stampato in 3D realizzato con tecnologia aerosol jet.

L’abstract dice: “La stampa tridimensionale (3D) sta guadagnando molta attenzione per le applicazioni elettroniche. La stampa a getto di aerosol è emersa come una potente tecnica per stampare sensori e dispositivi di nuova età su vari substrati. In questo lavoro, utilizziamo studi di simulazione per ottimizzare le dimensioni e il design del sensore di deformazione aerosol jet per buone prestazioni. Le dimensioni fisiche come la lunghezza del ciclo di estremità, il numero di griglie, la larghezza della linea della griglia, la lunghezza del calibro e cinque diversi tipi di sensori sono simulati per studiarne l’effetto sulle prestazioni del sensore di deformazione. Lo studio aiuta a identificare i fattori che influenzano la sensibilità e il fattore di gauge del sensore di deformazione flessibile fabbricato utilizzando la tecnologia di stampa aerosol jet “.
Gli estensimetri sono semplici dispositivi che misurano lo sforzo o la trazione su un oggetto. La resistenza di un oggetto cambia man mano che viene applicata una deformazione all’estensimetro, che quindi rivelerà la deformazione che l’oggetto sta attualmente subendo. Mentre tradizionalmente questi dispositivi hanno molte fasi lunghe coinvolte nella loro fabbricazione, come incollaggio, polimerizzazione, incisione e rifilatura, la stampa 3D sta iniziando ad essere più ampiamente utilizzata nella produzione di estensimetri.

Schematica che mostra diversi schemi di griglia studiati in questo lavoro.
La stampa Aerosol jet 3D, o aerosol jetting, è un modo senza maschera e senza contatto per stampare in 3D inchiostri elettronici ad alta risoluzione ed è stato utilizzato per produrre estensimetri con materiali come nanotubi di carbonio, argento e varie strutture e substrati . Ma poiché la tecnologia continua a progredire, è più importante che mai perfezionare la progettazione e l’analisi dello stress e della misurazione dello sforzo.

“Questo lavoro utilizza la tecnologia di stampa 3D di aerosol jet per fabbricare estensimetri su vari substrati. La motivazione è capire i requisiti di progettazione “, hanno spiegato i ricercatori. “Le simulazioni computazionali vengono eseguite per studiare l’effetto di vari parametri e schemi di progettazione sulle prestazioni complessive del sensore fabbricato. Lo studio aiuta a valutare in che modo i diversi parametri di progettazione influenzano le prestazioni del sensore, identificando così quelli essenziali per la fabbricazione di un dispositivo sensibile. ”
Il team ha utilizzato SOLIDWORKS per progettare un prototipo di estensimetro con inchiostro di nanoparticelle di argento di Clariant e quindi ha simulato le sue prestazioni con ANSYS Workbench R18.1, conducendo la struttura statica e l’analisi elettrica durante la simulazione. Hanno effettuato analisi dello stress su tre diversi tipi di substrati – Sylgard, Ecoflex e Polyimide – durante la simulazione. Tutti i substrati erano “deformati nella direzione della griglia”.

Il design della griglia influisce sulla sensibilità e sul fattore di misura del dispositivo, ei ricercatori hanno sperimentato cinque diversi modelli in questo studio: onda quadra, onda a zig zag, onda sinuosa, circuito chiuso e griglia 3D.

Analisi dello stress sulla griglia per il sensore di deformazione su vari substrati, vale a dire (a) Sylgard, (b) Ecoflex e (c) Polyimide. (d) Grafico a colonne che mostra i valori dei fattori di gauge calcolati per il sensore di deformazione su diversi substrati.
“Gli estensimetri usano conduttori metallici che subiscono cambiamenti nella resistenza elettrica, e questo cambiamento è registrato come il fattore di gauge (GF)”, hanno scritto i ricercatori. “Tecnicamente, il fattore di gauge può essere definito come il rapporto tra la variazione frazionaria della resistenza e la variazione frazionale della lunghezza (deformazione) lungo l’asse del dispositivo di misura. Sebbene il fattore di gauge del sensore di deformazione sia un fattore cruciale che determina le sue prestazioni, ci sono vari altri parametri che possono influenzare le prestazioni di un sensore. Un’attenta selezione dei parametri è importante in quanto influisce sulle prestazioni, in particolare sulla sensibilità del sensore. ”
(a) Immagine ottica dell’estensimetro stampato con aerosol 3D, (b) Immagine FESEM del film di nanoparticelle d’argento dopo la sinterizzazione.
Confrontando la distribuzione dello stress delle pellicole su diversi substrati, i ricercatori hanno visto che era meno uniforme in tutte le linee della griglia per i due materiali più morbidi, ma più uniforme per la poliimmide, che non è estensibile. Ciò porta a una migliore distribuzione delle sollecitazioni sui fogli, nonché alle linee che si deformano in modo uniforme una volta applicato il carico, determinando un maggiore cambiamento nella resistenza della griglia e, in definitiva, un GF più elevato.

Oltre a risparmiare tempo e denaro, gli studi di simulazione, che sono stati “corroborati attraverso risultati sperimentali”, hanno aiutato i ricercatori a valutare diversi parametri del sensore di deformazione. I risultati indicano che la simulazione computazionale può essere utilizzata per migliorare un sensore di deformazione realizzato con aerosol.

“Si è dedotto che i substrati con alto modulo di Young renderanno più sensibile alle prestazioni del sensore. La sensibilità elevata può essere raggiunta quando le proprietà meccaniche della griglia e del substrato sono confrontabili. Sono stati studiati diversi modelli di griglia in alluminio per le prestazioni degli estensimetri “, hanno concluso i ricercatori. “Lo studio ha ulteriormente esaminato l’effetto di varie dimensioni sul fattore di misurazione del sensore di deformazione. I parametri ottimizzati sono risultati pari a 3 per rapporto tra lunghezza dell’anello di estremità e larghezza della griglia, 20 μm per la larghezza delle linee della griglia e 5 mm per la lunghezza dell’indicatore con 26 linee di griglia. I parametri ottenuti utilizzando studi di simulazione sono stati usati per fabbricare un modello funzionante del sensore usando inchiostro conduttore d’argento su substrato di poliimmide.
I coautori del giornale sono Shweta Agarwala,  Guo Liang Goh e  Wai Yee Yeong.

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