研究員使用氣溶膠噴射3D列印技術開發高靈敏度的應變儀

最近，卡內基梅隆大學、德克薩斯州埃爾帕索大學和華盛頓州立大學的研究人員在一個項目中使用了3D列印技術，該項目將大幅改進電子測量設備的開發。該團隊在他們的工作中使用了氣溶膠噴射列印技術，涉及製造新型應變儀。這種方法創造出高度多孔的結構，其應用使他們能夠將測量儀的靈敏度提高到前所未有的水平。

作為工程界的無名英雄之一，應變儀被用於各種物體的測量，從稱重站上的汽車稱重到監視飛機上的橋樑或機翼上的力量。當一個力施加到應變儀上時，這會導致它變形。這種結構變形導致材料電阻的變化，並且這種改變使得結構能夠測量確切的應變數。

應變儀往往是由固體材料製成的，並且在其性能上有一個通用標準，稱為泊松比。這個比例通常代表固體應變儀的敏感程度的限制。材料的泊松比描述了一個材料在一個方向收縮的程度，當它向另一個方向拉伸時。固體材料的最大泊松比約為0.5。然而，利用氣溶膠噴射3D列印方法，團隊能夠創建多孔膜結構。固體材料上點綴著大量的小孔，改變了結構的運行方式，並增加了潛在的泊松比。

氣溶膠噴射3D列印使用數字控制空氣動力學聚焦，精確地將電子墨水沉積在基材上。通過納米顆粒的受控燒結，3D列印過程能夠確定固體結構的確切孔隙度。氣溶膠噴射列印的使用使團隊能夠優化在應變儀中使用的薄膜的結構收縮量。膠片收縮越多，變形越敏感，因此可以更準確地測量應變。

「由於孔隙率，我們看到一個有效的泊松比大約為0.7，這意味著對於給定的膜變形，我們有大約40％的側向收縮增加，」卡內基梅隆大學機械工程專業的研究員副教授Rahul Panat說。「這使得應變儀對測量更為敏感。」

氣溶膠噴射3D列印技術不僅使得團隊在創建應變儀時達到了更高的靈敏度水平，還改善了電子設備在高溫條件下的性能。由於加熱引起的變形效應，傳統的固體應變儀可能非常容易出錯。新的3D列印設備完全可以抵抗這種熱干擾。這使它們更加準確，並增加了它們的潛在用途範圍。

Panat說：「材料顯示熱應變的原因是材料受熱時自然膨脹。在我們的例子中，由於單獨的熱量，多孔膜的整體膨脹比固體膜要小得多，用這種新技術創造的膜不會那麼多，所以我們正在顯著地減少高溫下的誤差。」

據悉，該項研究的結果已於最近發表在「應用物理雜誌」上，論文標題為「用於高溫應用的3D列印高性能應變感測器」。

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