Slika: Zaznavanje zasukov členkov na prstu s piezoresistivnimi zaznavalnimi elementi. Avtor slike: Luka Frančič
Datum objave: 03.01.2022
Kategorija: Naš prispevek k ciljem trajnostnega razvoja OZN
Cilji trajnostnega razvoja: 3 Zdravje in dobro počutje, 9 Industrija, inovacije in infrastruktura (kazalniki)
Inovacija raziskovalcev z UL FS bo omogočila tiskanje individualiziranih protez in kirurških pripomočkov.
Konvencionalna izdelava polimernih piezoelektričnih senzorjev oz. zaznaval v grobem sestoji iz treh korakov. V prvem koraku je potrebno izdelati piezoelektrični zaznavalni film, ki ob obremenitvi generira naboj. V drugem koraku v smeri debeline nanesemo prevodne elektrode, s čimer lahko generiran naboj pomerimo. V tretjem koraku v procesu polarizacije na elektrode pri povišani temperaturi dovedemo visoko električno napetost, s katero poravnamo molekule piezoelektričnega sloja in s tem povečamo občutljivost zaznavala. Konvencionalna več stopenjska izdelava navadno omejuje kompleksnost oblike senzorjev in posledično omejuje njihovo uporabno v primerih, ko je potrebno meritve izvajati na težko dostopnih mestih ali pa v primerih, ko je senzorne elemente potrebno vgraditi že v fazi izdelave izdelka, ki ga želimo obravnavati.
Piezoelektrični senzorji oz. piezoelektrična zaznavala pretvarjajo mehansko energijo v električno. Ob obremenitvi ali deformaciji torej ustvarijo električni naboj, ki ga lahko izmerimo. S senzorji tako nadzorujemo stanje strukture – merimo dinamične obremenitve, deformacije in življenjsko dobo.
Raziskovalca iz Laboratorija za dinamiko strojev in konstrukcij na Fakulteti za strojništvo Univerze v Ljubljani mladi raziskovalec Tilen Košir in prof. dr. Janko Slavič sta v članku, objavljenem v ugledni reviji Additive Manufacturing, vse tri omenjene korake izdelave piezoelektričnih senzorjev uspela združiti v en sam proces s pomočjo 3D tiska (natančneje z metodo ciljnega nalaganja materiala, ang. fused filament fabrication).
S pomočjo komercialno dostopnih materialov se je v enem procesu 3D natisnil piezoelektrični sloj in prevodne elektrode, ki so bile v procesu izdelave avtomatsko priključene na vir visoke napetosti. Posledično se je lahko proces polarizacije zaznaval izvedel že v fazi 3D tiska. Predstavljeni principi omogočajo izdelavo piezoelektričnih zaznaval poljubnih oblik, med drugim pa omogočajo tudi vgrajevanje tovrstnih zaznaval v druge funkcionalne 3D tiskane izdelke v enem procesu, tudi na mesta, ki navadno niso dosegljiva. V medicini jih lahko uporabljamo na področju individualiziranih protez ali individualiziranih kirurških pripomočkov.
Slika 1 prikazuje koncept 3D natisnjenega piezoelektričnega zaznavala in proces polarizacije. Vir
Slika 2 prikazuje primer natisnjenega piezoelektričnega zaznavala: a) zgornji pogled, b) spodnji pogled. Vir
Projekt je bil delno financiran v okviru programske skupine Mehanika v tehniki (ARRS, P2-0263) in raziskovalnega projekta V enem procesu 3D natisnjeni dinamični senzorji (ARRS J2-3045, 2021-2024).