Rahul Panat et une équipe de chercheurs de la CMU, WSU, et UT-El Paso ont développé une nouvelle technique d'impression 3D pour la fabrication de jauges de contrainte qui casse le rapport de Poisson de 40 %.

Avez-vous déjà pesé votre voiture dans une station de pesée sur l'autoroute ? Avez-vous déjà pensé à la façon dont les déflexions d'une aile d'avion sont surveillées ? Vous êtes-vous déjà demandé comment les ingénieurs surveillent la tension et la courbure d'un pont ?

Postes de pesée, ailes d'avion, et les ponts ont au moins une chose en commun :les jauges de contrainte. Les jauges de contrainte sont des appareils simples utilisés pour mesurer la contrainte, ou tirer, sur un objet. Lorsque vous étirez - appliquez une déformation à - la jauge de contrainte, sa résistance va changer, vous indiquant combien de déformation l'objet subit. Et ils sont partout.

« Partout où il y a déviation d'un système mécanique, vous verrez des jauges de contrainte; ce qui fait beaucoup d'endroits !, " dit Rahul Panat, professeur agrégé de génie mécanique à l'Université Carnegie Mellon. Panat est également affilié au NextManufacturing Center de l'Université Carnegie Mellon.

Panat a développé une nouvelle technique d'impression 3D pour la fabrication de jauges de contrainte, avec des collaborateurs de la Washington State University et de l'Université du Texas à El Paso. Cette nouvelle méthode améliore considérablement la sensibilité des jauges de contrainte et augmente leurs capacités d'utilisation dans des applications à haute température.

Les chercheurs ont fabriqué cette jauge de contrainte en utilisant l'impression par jet d'aérosol, une méthode d'impression 3D qui crée un film poreux par frittage contrôlé de nanoparticules qui les fusionnent partiellement à l'aide de la chaleur. Lorsqu'il est étiré, ce film poreux - qui contient de nombreux petits trous résultant de la méthode d'impression 3D, également connu sous le nom de fabrication additive - est capable de contracter plus qu'un film solide, la forme typique des jauges de contrainte fabriquées à l'aide de méthodes de fabrication traditionnelles.

"Plus de contraction signifie plus de sensibilité, " explique Panat, "on obtient donc une jauge de contrainte beaucoup plus sensible en adoptant cette nouvelle méthode de fabrication, où nous imprimons des nanoparticules d'un matériau et créons cette porosité par frittage contrôlé."

Cette nouvelle méthode de fabrication brise ce que l'on appelle le coefficient de Poisson, la limite de la sensibilité d'une jauge de contrainte solide. Le rapport de Poisson d'un matériau décrit dans quelle mesure un matériau se contractera dans une direction lorsqu'il est étiré dans une autre direction. Le coefficient de Poisson maximum qu'un matériau solide peut avoir est d'environ 0,5, selon Panat.

"En raison de la porosité du film, nous observons un coefficient de Poisson effectif d'environ 0,7, ce qui signifie que nous avons une augmentation d'environ 40 % de la contraction latérale pour une déformation donnée du film, " dit Panat. " Cela rend la jauge de contrainte beaucoup plus sensible à la mesure. "

En plus de la sensibilité accrue de ces jauges de contrainte, un autre avantage découvert par Panat était que ces capteurs de contrainte sont parfaitement adaptés aux applications à haute température. Les jauges de contrainte solides fabriquées à l'aide de techniques de fabrication traditionnelles sont susceptibles d'erreur en raison de l'interférence du chauffage thermique, mais les jauges de contrainte poreuses fabriquées avec cette nouvelle technique résistent à cette erreur.

"La raison pour laquelle un matériau présentera une contrainte thermique est que le matériau se dilate naturellement lorsqu'il est chauffé, " dit Panat. " Dans notre cas, l'expansion globale du film poreux due à la seule chaleur est beaucoup plus faible que s'il s'agissait d'un film solide. Les films créés avec cette nouvelle technique ne s'étendent pas tant que ça, nous réduisons donc considérablement l'erreur dans les applications à haute température."

Md Taibur Rahman, chercheur postdoctoral à l'Université Carnegie Mellon, également travaillé sur ce projet. Cette recherche, "Capteurs de contrainte haute performance imprimés en 3D pour les applications à haute température, " a été publié dans le Journal de physique appliquée .