電子機器やウェアラブル機器向けの 3D プリントひずみセンサー

出典: 広西付加製造協会

ルイジアナ州立大学の論文学生であるオースティン・スミスは、ウェアラブル電子機器のセンサーのメカニズムの調査に成功しました。「FDM 3D プリントひずみセンサーの設計と製造」では、動きを監視する柔軟な電子機器の必要性により、手頃な価格のセンサーを迅速に作成できる可能性があると著者らは説明しています。

ひずみセンサーの研究のほとんどは、感度、弾性、および実用的な製造に焦点を当てています。ここでスミス氏は、強度と性能の両方を兼ね備えた材料と技術を使用して、複数のセンサーを 1 つのデバイスに統合する方法の開発を目指しました。 2 つの異なるサンプルサイズ (タイプ I、2000μm × 200μm、タイプ II、500μm × 200μm) により、スミス氏はプロトタイプをより適切に検査および評価することができました。

作成される各センサーは次の要素で構成されます。
埋め込みチャネル（長短）
導電性流体
「外力が加わると、チャネルが変形し、長いチャネルの断面積が減少し、短いチャネルの断面積が増加します。その結果、長いチャネルの変形により、導電性流体の断面積が減少します。この導電性流体の面積の変化により、電流が流れる経路のサイズが縮小し、抵抗が増加します」とスミス氏は述べた。

3D プリントされたひずみセンサー設計の断面図。

適用中にチャネリング効果がどのように機能するか。
ガリンスタン流体は電気伝導性と比較的無毒性であることから研究プロジェクトで使用され、スミス氏はひずみセンサーモードが単軸ひずみに適していると指摘しました。センサーは Ultimaker 3 3D プリンターを使用して印刷され、Ninja Flex 熱可塑性ポリウレタンを使用して製造されました。全体的に、この研究では、FDM 3D プリントによってさまざまな複雑なデザインやセンサープラットフォームを作成できることが示されています。

Ultimaker 3 3D プリンターを使用してひずみセンサーを印刷するためのセットアップとパラメーター。

「しかし、ひずみの逸脱、応力の蓄積、応力の集中に関連する問題は制限要因です。FDM プロセスでは、繊維が織り交ぜられ、加えられたひずみに対して角度が付けられた状態で弾性マトリックスが形成されます」と著者らは結論付けています。「これにより、これらの繊維に永久変形や歪みの蓄積を引き起こすために必要な歪みが軽減されます。」

「これらの観察結果は、3D プリントされたひずみセンサーの作成に非常に関連しています。層のパターン化によってひずみセンサーのひずみ応答が変化する可能性があるからです。全体的に、FDM 3D プリントは、柔軟なひずみセンサーをシンプルかつコスト効率よく製造する方法として可能性を秘めていることが実証されました。」

3D プリンティングとエレクトロニクスは今日、数え切れないほどのイノベーションで連携し続けており、組み込みコンポーネントからバイオメディカルセンサー、光ファイバーまで、さまざまなアプリケーションでセンサーも注目されています。

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