Rahul Panat och ett team av forskare från CMU, WSU, och UT-El Paso har utvecklat en ny 3D-tryckteknik för tillverkning av töjningsmätare som bryter Poisson-förhållandet med 40%.

Har du någonsin vägt din bil vid en vägningsstation på motorvägen? Har du någonsin tänkt på hur avböjningarna i en flygplansvinge övervakas? Har du någonsin undrat hur ingenjörer övervakar spänningen och böjningen av en bro?

Vågstationer, flygplanets vingar, och broar har minst en sak gemensamt:töjningsmätare. Dragmätare är enkla anordningar som används för att mäta töjning, eller dra, på ett föremål. När du sträcker - applicerar deformation på - töjningsmätaren, dess motstånd kommer att förändras, berättar hur mycket deformation objektet genomgår. Och de är överallt.

"Överallt där det finns en avböjning av ett mekaniskt system, du kommer att se töjningsmätare; vilket är många ställen! "säger Rahul Panat, docent i maskinteknik vid Carnegie Mellon University. Panat är också anslutet till Carnegie Mellon Universitys NextMan Manufacturing Center.

Panat har utvecklat en ny 3D-tryckteknik för tillverkning av töjningsmätare, tillsammans med medarbetare från Washington State University och University of Texas i El Paso. Denna nya metod förbättrar avsevärt känsligheten hos töjningsmätare och ökar deras kapacitet för användning i applikationer med hög temperatur.

Forskarna tillverkade denna töjningsmätare med aerosolstråleutskrift, en 3D-utskriftsmetod som skapar en porös film genom kontrollerad sintring av nanopartiklar som delvis förenar dem med värme. Vid sträckning, denna porösa film-som innehåller många små hål som härrör från 3D-utskriftsmetoden, även känd som additiv tillverkning - kan dra ihop mer än en fast film, den typiska formen av töjningsmätare tillverkade med traditionella tillverkningsmetoder.

"Mer sammandragning innebär mer känslighet, "förklarar Panat, "så vi får en mycket mer känslig töjningsmätare genom att anta denna nya tillverkningsmetod, där vi trycker nanopartiklar av ett material och skapar denna porositet genom kontrollerad sintring. "

Denna nya tillverkningsmetod bryter det som kallas Poisson Ratio, gränsen för hur känslig en solid töjningsmätare kan vara. Poisson -förhållandet för ett material beskriver hur mycket ett material kommer att dra ihop sig i en riktning när det sträcks i en annan riktning. Det maximala Poisson -förhållandet ett fast material kan ha är cirka 0,5, enligt Panat.

"På grund av filmens porositet, vi ser ett effektivt Poisson -förhållande på cirka 0,7 - vilket betyder att vi har cirka 40% ökning av lateral kontraktion för en given deformation av filmen, "säger Panat." Det gör töjningsmätaren mycket mer känslig för mätning. "

Förutom den ökade känsligheten hos dessa töjningsmätare, en annan fördel Panat fann var att sådana töjningssensorer är mycket lämpliga för applikationer med hög temperatur. Massiva töjningsmätare tillverkade med traditionell tillverkningsteknik är känsliga för fel på grund av störningar av termisk uppvärmning, men de porösa töjningsmätarna tillverkade med denna nya teknik är resistenta mot detta fel.

"Anledningen till att ett material kommer att uppvisa termisk belastning är att materialet naturligt expanderar när det värms upp, "säger Panat." I vårt fall, den totala expansionen av den porösa filmen på grund av värme ensam är mycket mindre än om det vore en fast film. Filmerna som skapats med denna nya teknik expanderar inte så mycket, så vi minskar avsevärt felet i applikationer med hög temperatur. "

Md Taibur Rahman, en postdoktor vid Carnegie Mellon University, arbetade också med detta projekt. Denna forskning, "3D-tryckta högpresterande töjningssensorer för applikationer med hög temperatur, "publicerades i Journal of Applied Physics .