Produção de um dispositivo de medição de tensão com uma impressora 3D melhorada

A obtenção de materiais leves, mas fortes, é particularmente importante na indústria moderna. As propriedades dos materiais são afetadas quando submetidas ao estresse, pressão, torção e vibração de dobra durante o uso^1,2. Assim, a medição da cepa dos materiais é importante para analisar sua durabilidade e uso de solução de problemas. Tais medidas permitem que os engenheiros analisem a durabilidade dos materiais e solucionam problemas de produção. O método de medição de cepa mais comum na indústria usa sensores de tensão³. Sensores tradicionais de papel alumínio são amplamente utilizados devido ao seu baixo custo e boa confiabilidade⁴. Eles medem as mudanças nos sinais elétricos e os convertem em diferentes sinais de saída^5,6. No entanto, este método deixa de fora os detalhes do perfil de tensão no objeto medido e é suscetível ao ruído de interferência eletromagnética vibracional com sinais analógicos. Desenvolver métodos precisos, altamente repetitivos e fáceis de medição de cepa material é importante na engenharia. Assim, outros métodos estão sendo estudados.

Nos últimos anos, os nanomateriais têm atraído muito interesse dos investigadores. Para medir a tensão em objetos pequenos, Osborn et al.^7,8 propôs um método para medir a cepa de nanomateriais 3D usando backscatter de elétrons (EBSD). Usando dinâmica molecular, Lina et al.⁹ investigaram a engenharia de tensão de atrito intercamada do grafeno. Medições distribuídas de cepa óptica usando espectroscopia de backscatter (RBS) de Rayleigh têm sido amplamente utilizadas na detecção de falhas e na avaliação de dispositivos ópticos devido à sua alta resolução espacial e sensibilidade¹⁰. A fibra óptica de grade (FBG)^11,12 sensores de tensão distribuída têm sido amplamente utilizados para a medição de cepa de alta precisão¹³ para sua sensibilidade à temperatura e à tensão. Para monitorar as alterações de tensão causadas pela cura após a injeção de resina, Sanchez et al.¹⁴ incorporaram um sensor fibraóptica em uma placa de fibra de carbono epóxi e mediu o processo completo de tensão. O contraste de interferência diferencial (DIC) é um poderoso método de medição da deformação de campo^15,16,17 que é amplamente utilizado, bem como¹⁸. Comparando as alterações dos níveis de cinza superficial medidos nas imagens coletadas, a deformação é analisada e a cepa calculada. Zhang et al.¹⁹ propuseram um método que se baseia na introdução de partículas reforçadas e imagens dic para evoluir a partir do DIC tradicional. Valores de tensão calculados vogel e Lee²⁰ usando um método automático de duas visualizações. Nos últimos anos, isso possibilitou a observação simultânea de microestrutura e medição de cepas em compósitos reforçados com partículas. Os sensores tradicionais de tensão só medem efetivamente a tensão em uma direção. Zymelka et al.²¹ propuseram um sensor de tensão flexível omnidirecional que melhora um método tradicional de medidor de cepa detectando alterações na resistência do sensor. Também é possível medir a cepa usando substâncias biológicas ou químicas. Por exemplo, os hidrogéis condutores iônicos são uma alternativa eficaz aos sensores de cepa/tátil devido às suas boas propriedades de tração e alta sensibilidade^22,23. O grafeno e seus compostos possuem excelentes propriedades mecânicas e proporcionam uma alta mobilidade portadora, juntamente com boa piezoresistividade^24,25,26. Consequentemente, os sensores de cepa à base de grafeno têm sido amplamente utilizados no monitoramento eletrônico de saúde da pele, eletrônicos vestíveis e outros campos^27,28.

Neste trabalho, é apresentada uma medição de cepa conceitual utilizando um microscópio de polidimetilsiloxano (PDMS) e um sistema de amplificação. O dispositivo é diferente de um medidor de tensão tradicional porque não requer fios ou conexões elétricas. Além disso, o deslocamento pode ser observado diretamente. O mecanismo de amplificação pode ser colocado em qualquer local do objeto testado, o que aumenta consideravelmente a repetibilidade das medidas. Neste estudo, um sensor e um amplificador de cepa foram feitos pela tecnologia de impressão 3D. Primeiro melhoramos a impressora 3D para aumentar sua eficiência para nossas necessidades. Um dispositivo de extrusão esférica foi projetado para substituir o tradicional extrusor de material único controlado pelo software de fatiamento para completar a conversão dos bicos metálicos e plásticos. A plataforma de moldagem correspondente foi alterada, e o dispositivo de detecção de deslocamento (amplificador) e o dispositivo de leitura (microscópio PDMS) foram integrados.