Dostosowanie projektu, materiału i parametrów trójwymiarowego nadruku odkształcenia z symulacją obliczeniową

Trio naukowców z Centrum Druku 3D w Singapurze na Uniwersytecie Technologicznym Nanyang opublikowało niedawno publikację zatytułowaną "Aerosol Jet Printed Strain Sensor: Simulation Studies analizującą wpływ wymiaru i projektu na wydajność" na temat ich pracy z wykorzystaniem metod obliczeniowych symulacja w celu dostosowania projektu, materiału i parametrów drukowanego tensometru 3D wykonanego w technologii aerozolu.

Streszczenie brzmi: "Trójwymiarowe (3D) drukowanie zyskało powszechną uwagę w aplikacjach elektronicznych. Drukowanie w strumieniu aerozolu stało się wydajną techniką drukowania czujników i urządzeń nowej generacji na różnych podłożach. W tej pracy wykorzystujemy badania symulacyjne w celu zoptymalizowania wymiarów i konstrukcji czujnika nadkolizyjnego z nadrukiem w aerozolu, aby uzyskać dobre wyniki. Wymiary fizyczne, takie jak długość pętli końcowej, liczba kratek, szerokość linii siatki, długość miernika i pięć różnych konstrukcji czujników są symulowane, aby zbadać ich wpływ na działanie czujnika odkształcenia. Badanie pomaga zidentyfikować czynniki, które wpływają na czułość i współczynnik grubości elastycznego czujnika odkształcenia wytworzonego przy użyciu technologii drukowania aerozolowego. "

Tensometry są prostymi urządzeniami, które mierzą napięcie lub przyciąganie obiektu . Opór obiektu zmienia się wraz z odkształceniem tensometru, który następnie ujawni, ile deformacji obiekt jest obecnie poddawany. Tradycyjnie urządzenia te mają wiele długich etapów związanych z ich wytwarzaniem, takich jak klejenie, utwardzanie, trawienie i przycinanie, drukowanie 3D zaczyna być szerzej stosowane przy wytwarzaniu tensometrów CD3D .

Drukowanie 3D w aerozolu lub aerozolu to bezmasowy, bezkontaktowy sposób drukowania elektronicznych atramentów 3D o wysokiej rozdzielczości i został używane do produkcji tensometrów z materiałów takich jak nanorurki węglowe, srebro i różne struktury i podłoża. Jednak wraz z postępem technologii, ważniejsze niż kiedykolwiek jest doskonalenie projektu i analizy naprężeń i pomiarów odkształceń.

"Ta praca wykorzystuje technologię druku 3D aerozolu do wytwarzania mierników naprężenia na różnych substraty. Motywacją jest zrozumienie wymagań projektowych "- wyjaśniają naukowcy. "Symulacje obliczeniowe są przeprowadzane w celu zbadania wpływu różnych parametrów i wzorców projektowych na ogólną wydajność wytworzonego czujnika. Badanie pomagaocenić, w jaki sposób różne parametry projektowe wpływają na wydajność czujnika, identyfikując w ten sposób niezbędne do wytworzenia wrażliwego urządzenia. "

Zespół wykorzystał oprogramowanie SOLIDWORKS do zaprojektowania prototypowego tensometru z nanocząsteczkowego atramentu Clariant, a następnie zasymulowało jego działanie. wydajność z ANSYS Workbench R18.1, prowadzenie statycznej struktury i analizy elektrycznej podczas symulacji. Przeprowadzili analizę naprężeń na trzech różnych typach substratów - Sylgard, Ecoflex i Polyimide - podczas symulacji. Wszystkie substraty zostały "zdeformowane w kierunku siatki".

Projekt siatki wpływa na czułość i współczynnik przyrządu, a badacze eksperymentowali z pięcioma różnymi projektami w tym badaniu: fala prostokątna, fala zygzakowata , fala falowa, podłączona pętla końcowa i siatka 3D.

"Tensometry wykorzystują przewodniki metaliczne, które ulegają zmianie w oporze elektrycznym, a ta zmiana jest rejestrowana jako współczynnik skrajni (GF)" - napisali naukowcy. "Technicznie współczynnik pomiaru można zdefiniować jako stosunek ułamkowej zmiany oporu do ułamkowej zmiany długości (odkształcenia) wzdłuż osi przyrządu pomiarowego. Chociaż współczynnik pomiaru czujnika odkształcenia jest decydującym czynnikiem, który określa jego wydajność, istnieją różne inne parametry, które mogą wpływać na działanie czujnika. Staranny dobór parametrów jest ważny, ponieważ wpływa na wydajność, szczególnie na czułość czujnika. "

Porównując rozkład naprężeń folii na różnych podłożach, naukowcy stwierdzili, że jest on mniej jednolity w całej sieci linie dla dwóch bardziej miękkich materiałów, ale bardziej jednolite dla poliimidu, który nie jest rozciągliwy. Prowadzi to do lepszego rozkładu naprężeń na foliach, a także do równomiernego odkształcania linii po nałożeniu obciążenia, co powoduje wyższą zmianę oporu kratki i ostatecznie wyższy współczynnik GF.

Oprócz oszczędności czasu i pieniądze, badania symulacyjne, które zostały "potwierdzone wynikami eksperymentalnymi", pomogły naukowcom ocenić różne parametry czujnika odkształcenia. Wyniki wskazują, że symulację obliczeniową można wykorzystać do ulepszenia czujnika odkształcenia wykonanego przy użyciu aerozolu.

"Wywnioskowano, że podłoża o wysokim module Younga będą bardziej wrażliwe na działanie czujnika. Zwiększoną czułość można osiągnąć, gdy właściwości mechaniczne siatki folii i podłoża są porównywalne. Różne folieprojekty siatki były badane pod kątem wydajności tensometrycznej "- podsumowali naukowcy. "W toku dalszych badań zbadano wpływ różnych wymiarów na współczynnik wskaźnika czujnika odkształcenia. Stwierdzono, że zoptymalizowane parametry wynoszą 3 dla stosunku długości pętli końcowej do szerokości siatki, 20 μm dla szerokości linii siatki i 5 mm dla długości miernika z 26 liniami siatki. Parametry uzyskane za pomocą badań symulacyjnych wykorzystano do wytworzenia działającego modelu czujnika za pomocą atramentu przewodzącego srebro na podłożu poliimidowym. Zoptymalizowany miernik naprężenia mierzy się, aby uzyskać wskaźnik grubości 9-10 z nanocząsteczkową warstwą srebra dla siatki. "