Rahul Panat e un team di ricercatori della CMU, WSU, e UT-El Paso hanno sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D per la produzione di estensimetri che rompe il rapporto di Poisson del 40%.

Hai mai pesato la tua auto in una stazione di pesatura in autostrada? Hai mai pensato a come vengono monitorate le deviazioni nell'ala di un aereo? Ti sei mai chiesto come fanno gli ingegneri a monitorare la sollecitazione e la flessione di un ponte?

Stazioni di pesatura, ali di aeroplano, e i ponti hanno almeno una cosa in comune:gli estensimetri. Gli estensimetri sono dispositivi semplici utilizzati per misurare la deformazione, o tirare, su un oggetto. Mentre allunghi, applichi la deformazione all'estensimetro, la sua resistenza cambierà, ti dice quanta deformazione sta subendo l'oggetto. E sono ovunque.

"Ovunque ci sia una deflessione di un sistema meccanico, vedrai estensimetri; che è un sacco di posti!, "dice Rahul Panat, professore associato di ingegneria meccanica alla Carnegie Mellon University. Panat è anche affiliato al NextManufacturing Center della Carnegie Mellon University.

Panat ha sviluppato una nuova tecnica di stampa 3D per la produzione di estensimetri, insieme a collaboratori della Washington State University e dell'Università del Texas a El Paso. Questo nuovo metodo migliora significativamente la sensibilità degli estensimetri e ne aumenta le capacità per l'uso in applicazioni ad alta temperatura.

I ricercatori hanno fabbricato questo estensimetro utilizzando la stampa a getto di aerosol, un metodo di stampa 3D che crea un film poroso mediante sinterizzazione controllata di nanoparticelle che le uniscono parzialmente usando il calore. Quando allungato, questo film poroso, che contiene molti piccoli fori che risultano dal metodo di stampa 3D, noto anche come produzione additiva, è in grado di contrarsi più di un film solido, la forma tipica degli estensimetri fabbricati con metodi di produzione tradizionali.

"Più contrazione significa più sensibilità, " spiega Panat, "così otteniamo un estensimetro molto più sensibile adottando questo nuovo metodo di produzione, dove stampiamo nanoparticelle di un materiale e creiamo questa porosità mediante sinterizzazione controllata."

Questo nuovo metodo di produzione rompe il cosiddetto rapporto di Poisson, il limite alla sensibilità di un estensimetro solido. Il rapporto di Poisson di un materiale descrive quanto un materiale si contrarrà in una direzione quando viene allungato in un'altra direzione. Il rapporto di Poisson massimo che un materiale solido può avere è di circa 0,5, secondo Panat.

"A causa della porosità del film, stiamo osservando un rapporto di Poisson effettivo di circa 0,7, il che significa che abbiamo un aumento di circa il 40% nella contrazione laterale per una data deformazione del film, " dice Panat. "Questo rende l'estensimetro molto più sensibile alla misurazione."

Oltre alla maggiore sensibilità di questi estensimetri, un altro vantaggio scoperto da Panat era che tali sensori di deformazione sono altamente adatti per applicazioni ad alta temperatura. Gli estensimetri solidi fabbricati utilizzando tecniche di produzione tradizionali sono suscettibili di errore a causa dell'interferenza del riscaldamento termico, ma gli estensimetri porosi fabbricati con questa nuova tecnica sono resistenti a questo errore.

"Il motivo per cui un materiale mostrerà deformazione termica è perché il materiale si espande naturalmente quando viene riscaldato, " dice Panat. "Nel nostro caso, l'espansione complessiva del film poroso a causa del solo calore è molto minore che se fosse un film solido. I film realizzati con questa nuova tecnica non si espandono molto, quindi stiamo riducendo significativamente l'errore nelle applicazioni ad alta temperatura."

Md Taibur Rahman, un ricercatore post-dottorato presso la Carnegie Mellon University, ha lavorato anche a questo progetto. Questa ricerca, "Sensori di deformazione ad alte prestazioni stampati in 3D per applicazioni ad alta temperatura, " è stato pubblicato nel Rivista di fisica applicata .