Rahul Panat en een team van onderzoekers van CMU, WSU, en UT-El Paso hebben een nieuwe 3D-printtechniek ontwikkeld voor het vervaardigen van rekstrookjes die de Poisson-ratio met 40% breekt.

Heb je je auto wel eens gewogen bij een weegstation langs de snelweg? Heb je er ooit over nagedacht hoe de doorbuigingen in een vliegtuigvleugel worden gecontroleerd? Heb je je ooit afgevraagd hoe ingenieurs de spanning en buiging van een brug bewaken?

Weegstations, vliegtuig vleugels, en bruggen hebben in ieder geval één ding gemeen:rekstrookjes. Spanningsmeters zijn eenvoudige apparaten die worden gebruikt om spanning te meten, of trek, op een voorwerp. Terwijl u uitrekt - vervorming toepast op - de spanningsmeter, zijn weerstand zal veranderen, vertellen hoeveel vervorming het object ondergaat. En ze zijn overal.

"Overal waar een mechanisch systeem doorbuigt, je zult rekstrookjes zien; dat zijn veel plaatsen!, " zegt Rahul Panat, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de Carnegie Mellon University. Panat is ook verbonden aan het NextManufacturing Center van Carnegie Mellon University.

Panat heeft een nieuwe 3D-printtechniek ontwikkeld voor het vervaardigen van rekstrookjes, samen met medewerkers van de Washington State University en de University of Texas in El Paso. Deze nieuwe methode verbetert de gevoeligheid van rekstrookjes aanzienlijk en vergroot hun mogelijkheden voor gebruik in toepassingen bij hoge temperaturen.

De onderzoekers hebben deze spanningsmeter gefabriceerd met behulp van aerosol jet printing, een 3D-printmethode die een poreuze film creëert door gecontroleerd sinteren van nanodeeltjes die ze gedeeltelijk samenvoegen met behulp van warmte. Wanneer uitgerekt, deze poreuze film - die veel kleine gaatjes bevat die het resultaat zijn van de 3D-printmethode, ook bekend als additive manufacturing—kan meer samentrekken dan een vaste film, de typische vorm van rekstrookjes vervaardigd met behulp van traditionele productiemethoden.

"Meer samentrekking betekent meer gevoeligheid, " legt Panat uit, "Dus we krijgen een veel gevoeliger rekstrookje door deze nieuwe productiemethode toe te passen, waar we nanodeeltjes van een materiaal printen en deze porositeit creëren door gecontroleerd sinteren."

Deze nieuwe productiemethode doorbreekt wat bekend staat als de Poisson Ratio, de limiet aan hoe gevoelig een solide rekstrookje kan zijn. De Poissonverhouding van een materiaal beschrijft hoeveel een materiaal in de ene richting zal samentrekken wanneer het in een andere richting wordt uitgerekt. De maximale Poissonverhouding die een vast materiaal kan hebben is ongeveer 0,5, volgens Panat.

"Vanwege de porositeit van de film, we zien een effectieve Poisson-ratio van ongeveer 0,7 - wat betekent dat we een toename van ongeveer 40% hebben in de laterale contractie voor een bepaalde vervorming van de film, ", zegt Panat. "Dat maakt de rekstrook veel gevoeliger voor meting."

Naast de verhoogde gevoeligheid van deze rekstrookjes, een ander voordeel dat Panat vond, was dat dergelijke reksensoren zeer geschikt zijn voor toepassingen bij hoge temperaturen. Solide rekstrookjes vervaardigd met behulp van traditionele productietechnieken zijn gevoelig voor fouten als gevolg van de interferentie van thermische verwarming, maar de poreuze rekstrookjes vervaardigd met deze nieuwe techniek zijn bestand tegen deze fout.

"De reden waarom een ​​materiaal thermische spanning zal vertonen, is omdat materiaal van nature uitzet wanneer het wordt verwarmd, " zegt Panat. "In ons geval, de totale uitzetting van de poreuze film vanwege warmte alleen is veel kleiner dan wanneer het een vaste film zou zijn. De films die met deze nieuwe techniek zijn gemaakt, breiden niet zo veel uit, dus we verminderen de fout in toepassingen bij hoge temperaturen aanzienlijk."

Md. Taibur Rahman, een postdoctoraal onderzoeker aan de Carnegie Mellon University, ook aan dit project gewerkt. Dit onderzoek, "3-D-geprinte hoogwaardige reksensoren voor toepassingen bij hoge temperaturen, " werd gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .