3D-udskrivning genindspænder belastningsmåler

Rahul Panat og et team af forskere fra CMU, WSU, og UT-El Paso har udviklet en ny 3-D-trykteknik til fremstilling af belastningsmålere, der bryder Poisson-forholdet med 40%.

Har du nogensinde vejet din bil på en vejestation på motorvejen? Har du nogensinde tænkt på, hvordan nedbøjningerne i en flyvinge overvåges? Har du nogensinde spekuleret på, hvordan ingeniører overvåger stress og bøjning af en bro?

Vejestationer, flyvinger, og broer har mindst én ting tilfælles:belastningsmålere. Stammålere er enkle enheder, der bruges til at måle belastning, eller træk, på et objekt. Når du strækker - påfør deformation på - spændingsmåleren, dens modstand vil ændre sig, fortæller dig, hvor meget deformation objektet gennemgår. Og de er overalt.

"Overalt hvor der er afbøjning af et mekanisk system, du vil se spændingsmålere; hvilket er mange steder !, "siger Rahul Panat, en lektor i maskinteknik ved Carnegie Mellon University. Panat er også tilknyttet Carnegie Mellon Universitets NextManufacturing Center.

Panat har udviklet en ny 3D-trykteknik til fremstilling af belastningsmålere, sammen med samarbejdspartnere fra Washington State University og University of Texas i El Paso. Denne nye metode forbedrer følsomheden af ​​spændingsmålere betydeligt og øger deres muligheder for brug i applikationer med høj temperatur.

Forskerne fremstillede denne belastningsmåler ved hjælp af aerosol jetprint, en 3-D udskrivningsmetode, der skaber en porøs film ved kontrolleret sintring af nanopartikler, der delvist samler dem ved hjælp af varme. Når den er strakt, denne porøse film-som indeholder mange små huller, der skyldes 3D-udskrivningsmetoden, også kendt som additiv fremstilling - er i stand til at trække mere sammen end en fast film, den typiske form for belastningsmålere fremstillet ved hjælp af traditionelle fremstillingsmetoder.

"Mere sammentrækning betyder mere følsomhed, "forklarer Panat, "så vi får en meget mere følsom belastningsmåler ved at anvende denne nye fremstillingsmetode, hvor vi udskriver nanopartikler af et materiale og skaber denne porøsitet ved kontrolleret sintring. "

Denne nye fremstillingsmetode bryder det, der er kendt som Poisson -forholdet, grænsen for, hvor følsom en solid belastningsmåler kan være. Poisson -forholdet mellem et materiale beskriver, hvor meget et materiale vil trække sig sammen i en retning, når det strækkes i en anden retning. Den maksimale Poisson -forhold, et fast materiale kan have, er omkring 0,5, ifølge Panat.

"På grund af filmens porøsitet, vi ser en effektiv Poisson Ratio på cirka 0,7 - hvilket betyder, at vi har omkring en 40% stigning i den laterale kontraktion for en given deformation af filmen, "siger Panat." Det gør belastningsmåleren meget mere følsom over for måling. "

Ud over den øgede følsomhed af disse belastningsmålere, en anden fordel, Panat fandt, var, at sådanne belastningssensorer er yderst velegnede til applikationer med høj temperatur. Solide måleinstrumenter fremstillet ved hjælp af traditionelle fremstillingsteknikker er modtagelige for fejl på grund af interferens fra termisk opvarmning, men de porøse belastningsmålere fremstillet med denne nye teknik er modstandsdygtige over for denne fejl.

"Grunden til, at et materiale vil udvise termisk belastning, er fordi materiale naturligt ekspanderer, når det opvarmes, "siger Panat." I vores tilfælde, den samlede ekspansion af den porøse film på grund af varme alene er meget mindre, end hvis det var en fast film. Filmene, der er skabt med denne nye teknik, udvider ikke så meget, så vi reducerer fejlen betydeligt i applikationer med høj temperatur. "

Md Taibur Rahman, en postdoktor ved Carnegie Mellon University, arbejdede også på dette projekt. Denne forskning, "3D-trykte højtydende belastningssensorer til applikationer ved høje temperaturer, "blev offentliggjort i Journal of Applied Physics .