飛機(jī)，橋梁和稱重站有什么共同點(diǎn)？ 如果你回答應(yīng)變計(jì)，你是對(duì)的。 這些簡(jiǎn)單的裝置測(cè)量物體上的應(yīng)變或拉力。 當(dāng)您將變形應(yīng)用到（伸展）應(yīng)變儀時(shí)，物體的阻力會(huì)發(fā)生變化，這樣會(huì)告訴您物體（如飛機(jī)機(jī)翼，橋梁或汽車）目前正在發(fā)生多大的變形。

之前，我們已經(jīng)看到3D打印的應(yīng)變片和傳感器，但是卡耐基梅隆大學(xué)（CMU）機(jī)械工程副教授Rahul Panat正領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由研究人員組成的合作團(tuán)隊(duì)，他們開(kāi)發(fā)了一種新的3D打印應(yīng)變計(jì)方法， 提高了它們的靈敏度，同時(shí)使它們能夠用于高溫應(yīng)用。

Panat也是大學(xué)NextManufacturing中心的一員，他說(shuō)：“任何地方都有機(jī)械系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)，你會(huì)看到應(yīng)變計(jì)， 這是很多地方！”

這個(gè)團(tuán)隊(duì)由來(lái)自CMU（對(duì)3D打印有一些了解）的研究人員，華盛頓州立大學(xué)和德克薩斯州埃爾帕索大學(xué)的研究人員組成。 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的方法打破了所謂的泊松比（Poisson Ratio），它描述了一種材料在另一個(gè)方向伸展時(shí)會(huì)收縮多少，約為40％。 這個(gè)比例是對(duì)固體應(yīng)變儀的靈敏度的限制 - 根據(jù)Pahat的說(shuō)法，固體材料的最大泊松比約為0.5。

Panat解釋說(shuō)：“更多的收縮意味著更高的靈敏度，所以通過(guò)采用這種新的制造方法，我們可以獲得更加靈敏的應(yīng)變計(jì)，在這種方法中，我們可以印刷材料的納米顆粒，并通過(guò)受控?zé)Y(jié)來(lái)產(chǎn)生這種孔隙?！?/span>

由傳統(tǒng)制造方法制成的應(yīng)變計(jì)采取固體薄膜的形式。 但是該團(tuán)隊(duì)使用氣溶膠噴射3D打印技術(shù)來(lái)制造應(yīng)變計(jì)，該應(yīng)變計(jì)利用熱量來(lái)控制部分聚結(jié)的納米顆粒的燒結(jié)，從而形成多孔薄膜。 當(dāng)這種由于3D打印方法而含有許多微孔的薄膜被拉伸時(shí)，它可以比固體薄膜罐收縮更多。

帕納特說(shuō)：“由于電影的孔隙率，我們看到一個(gè)有效的泊松比約為0.7，這意味著對(duì)于一個(gè)給定的電影變形，我們有大約40％的橫向收縮增加。 這使得應(yīng)變儀對(duì)測(cè)量更為敏感?！?/span>

該團(tuán)隊(duì)最近發(fā)表了一篇關(guān)于他們的新方法的論文，題為“用于高溫應(yīng)用的3D打印的高性能應(yīng)變傳感器”，在Journal of Applied Physics; 合著者包括Md Taibur Rahman，Russell Moser，Hussein M. Zbib，C.V. 拉馬納和帕納特。

根據(jù)摘要，“由于漂移電流，材料氧化，熱應(yīng)變和蠕變引起的電氣穩(wěn)定性的下降，高溫物理測(cè)量傳感器的實(shí)現(xiàn)在許多當(dāng)前和新興技術(shù)中是非常具有挑戰(zhàn)性的。 在本文中，我們首次證明了3D打印的傳感器顯示出類似超材料的行為，從而獲得了高靈敏度，低熱應(yīng)變和增強(qiáng)的熱穩(wěn)定性等優(yōu)越性能。 傳感器采用銀（Ag）納米粒子（NPs）制造，采用先進(jìn)的基于氣溶膠噴射的添加劑印刷方法，然后進(jìn)行熱燒結(jié)。”

研究人員在Optomec Aerosol Jet 300系列系統(tǒng)上打印傳感器，然后在高達(dá)500°C的溫度下進(jìn)行循環(huán)應(yīng)變測(cè)試。 除了具有增加的靈敏度的應(yīng)變儀之外，還發(fā)現(xiàn)測(cè)量系數(shù)比市售儀表高近60％。

“材料之所以會(huì)出現(xiàn)熱應(yīng)變，是因?yàn)椴牧鲜軣釙r(shí)自然膨脹。 在我們的案例中，由于單獨(dú)的熱量，多孔膜的整體膨脹比固體膜要小得多”P(pán)anat說(shuō)。 “用這種新技術(shù)創(chuàng)造的電影不會(huì)那么多，所以我們大大減少了高溫應(yīng)用中的誤差?！?/span>

這些結(jié)果表明，3D打印技術(shù)可能潛在地用于制造高性能，穩(wěn)定的傳感器，用于需要高溫的應(yīng)用，如核電，航空航天和發(fā)電系統(tǒng)。 傳統(tǒng)制造的固體應(yīng)變計(jì)更容易受到熱加熱干擾導(dǎo)致的誤差，但是研究團(tuán)隊(duì)的3D打印多孔應(yīng)變儀卻沒(méi)有同樣的問(wèn)題。

延伸閱讀>>>科學(xué)家為植物制作3D打印可穿戴式傳感器，可以測(cè)量農(nóng)作物的用水量