Sensitivity increase of 3D printed, self-sensing, carbon fibers structures with conductive filament matrix due to flexural loading

Este artigo demonstra que a sensibilidade de estruturas autossensíveis de fibra de carbono contínua impressas em 3D pode ser significativamente e irreversivelmente aumentada através de pré-tensão com cargas de flexão compressivas, enquanto a coextrusão de uma matriz de filamento condutor melhora sua confiabilidade elétrica e desempenho de ruído.

O essencial

Imagine que você tem uma impressora 3D que não apenas faz brinquedos de plástico, mas que pode tecer fios fortes e invisíveis de fibra de carbono dentro do plástico para torná-lo resistente, como um aço reforçado com concreto moderno. Este artigo é sobre transformar essas vigas impressas em 3D em seu próprio "sistema nervoso" que consegue sentir quando está sendo dobrada ou esmagada.

Aqui está a história de como os pesquisadores tornaram essas vigas super-sensíveis, usando conceitos simples e analogias.

O Objetivo: Criar uma Viga que "Sente"

Normalmente, se você quiser saber o quanto uma ponte ou um braço robótico está dobrando, você precisa colar um sensor separado nele. Os pesquisadores queriam pular essa etapa. Eles queriam que as fibras de carbono dentro da viga atuassem como o próprio sensor.

As fibras de carbono são especiais porque, quando você as estica ou esmaga, sua resistência elétrica muda (fica mais difícil para a eletricidade fluir). Isso é chamado de ser "piezoresistivo". No entanto, em seu estado natural e perfeito, essas fibras não são muito sensíveis a pequenas mudanças. É como tentar ouvir um sussurro em uma sala barulhentas; o sinal é silencioso demais.

O Truque Secreto: "Quebrar" a Viga de Propósito

Os pesquisadores descobriram um truque contraintuitivo para fazer a viga ouvir esse sussurro: eles quebraram a viga um pouco de propósito.

Pense em um feixe de 1.000 pequenas cordas de violão (as fibras de carbono) correndo dentro do plástico.

1. A Configuração: Quando a viga é impressa, o plástico esfria mais rápido do que as fibras. Isso cria uma "tensão residual", como uma mola que já está levemente comprimida mesmo antes de você tocá-la.
2. O Pré-estresse: Os pesquisadores pegaram a viga e a dobraram com muita força, muito mais forte do que ela seria dobrada em um uso normal. Isso é chamado de "pré-estresse".
3. O Dano: Devido ao aperto pré-existente e à dobra intensa, algumas dessas pequenas cordas de violão internas se romperam.
4. O Resultado: Agora, imagine que você tem um feixe de cordas onde algumas estão quebradas. Se você dobrar a viga apenas um pouquinho, as extremidades quebradas se esfregam umas nas outras ou perdem o contato. Isso causa uma mudança massiva na forma como a eletricidade flui pelo feixe.

A Analogia: Imagine um corredor lotado onde as pessoas estão de mãos dadas. Se todos estiverem de mãos dadas firmemente, é difícil quebrar a corrente. Mas se você propositalmente deixar algumas mãos se soltarem no meio, um pequeno empurrão na multidão causará um enorme efeito cascata conforme a corrente se desfaz. Os pesquisadores descobriram que, ao "quebrar" as fibras levemente, a viga tornou-se incrivelmente sensível até aos menores dobramentos. Eles alcançaram níveis de sensibilidade (chamados de "Fatores de Gauge") superiores a 100, que é muito mais alto do que os sensores padrão.

O Problema: Um Sinal Ruidoso

Havia um porém. Quando as fibras quebravam, o sinal elétrico tornava-se muito "ruidoso". Era como tentar ouvir uma estação de rádio com interferência de estática. Às vezes, a conexão falhava ou oscilava, tornando os dados não confiáveis. Isso acontecia porque o plástico (PETG) usado para imprimir a viga é um isolante — ele não conduz eletricidade. Quando uma fibra quebrava, a eletricidade não tinha para onde ir, e o sinal se perdia.

A Solução: O Filamento "Rede de Segurança"

Para corrigir o ruído, os pesquisadores tentaram um novo método de impressão. Em vez de apenas imprimir as fibras de carbono, eles co-extrudaram (imprimiram lado a lado) um filamento condutor especial chamado "Protopasta" (um plástico misturado com negro de fumo que conduz eletricidade).

A Analogia: Pense nas fibras de carbono como a rodovia principal. Quando uma ponte na rodovia desaba (uma fibra quebra), o tráfego para. A Protopasta atua como uma rede de estradas secundárias e desvios. Mesmo que uma fibra principal se quebre, a eletricidade ainda pode fluir através das "estradas secundárias" da Protopasta para manter a conexão viva.

O Resultado:

• Confiabilidade: As amostras impressas com Protopasta foram muito mais silenciosas e confiáveis. O sinal não oscilava.
• Sensibilidade: Eles mantiveram a alta sensibilidade criada pelas fibras quebradas.
• A Troca: O único lado negativo foi que a Protopasta entupia o bico da impressora com mais frequência, como tentar empurrar manteiga de amendoim espessa através de um canudo.

O Que Eles Descobriram

1. Compressão é a Chave: As fibras quebraram principalmente quando estavam sendo esmagadas (comprimidas), não quando estavam sendo puxadas (esticadas). A sensibilidade disparou no lado da viga que estava sendo esmagado.
2. Mudança Permanente: Uma vez que dobraram a viga com força suficiente para quebrar as fibras, a sensibilidade permaneceu alta para sempre. Você não conseguia "desquebrar" as fibras.
3. Redução de Ruído: O uso do filamento condutor Protopasta fez o sensor funcionar muito melhor do que o plástico comum, provando que ter uma "rede de segurança" para a eletricidade é crucial para esses tipos de sensores.

Em Resumo

Os pesquisadores pegaram vigas de fibra de carbono impressas em 3D, dobraram-nas com força suficiente para romper algumas das fibras internas e descobriram que esse dano tornava as vigas incrivelmente sensíveis ao toque. Para evitar que o sinal ficasse ruidoso, eles imprimiram uma "rede de segurança" condutora ao lado das fibras. O resultado é uma estrutura autossensível que é altamente sensível e confiável, criada ao introduzir intencionalmente um pouco de dano controlado.

Resumo técnico

Resumo Técnico: Aumento de Sensibilidade de Estruturas de Fibra de Carbono Impressas em 3D e Autossensíveis

Definição do Problema
A manufatura aditiva (impressão 3D) permitiu a produção de peças complexas, mas a resistência mecânica de materiais impressos padrão frequentemente limita seu uso em aplicações de nível de engenharia. Embora a coextrusão de fibra contínua (combinando fibras de carbono pré-impregnadas com matrizes termoplásticas) resolva problemas de resistência, a integração de capacidades de detecção permanece um desafio. Pesquisas existentes demonstraram que feixes de fibra de carbono contínua exibem propriedades piezoresistivas, permitindo a autossensibilidade. No entanto, extensômetros de fibra de carbono padrão frequentemente possuem baixa sensibilidade (fatores de deformação). Além disso, estudos anteriores observaram que o dano progressivo às fibras sob cargas elevadas leva a mudanças irreversíveis na resistência e ao aumento da sensibilidade, embora esse fenômeno não tenha sido sistematicamente utilizado para criar sensores altamente sensíveis. Adicionalmente, a confiabilidade do contato elétrico e o ruído em sensores impressos permanecem obstáculos significativos.

Metodologia
O estudo utilizou uma impressora 3D Anisoprint A4 Composer para fabricar vigas reforçadas com fibra de carbono contínua usando um processo de Extrusão de Material (MEX). As amostras consistiram em matrizes de PETG (polietileno tereftalato glicol) ou Protopasta (PLA condutivo) coextrudadas com fibras de carbono contínuas de 1.5K.

• Design da Amostra: As vigas foram impressas com perímetros reforçados com fibra de carbono localizados no meio da seção transversal. Após a impressão, as amostras foram serradas para isolar dois extensômetros paralelos e para expor as fibras para conexão elétrica via tinta de prata e parafusos.
• Configuração Experimental: Um teste de flexão em três pontos foi conduzido utilizando um atuador linear. As amostras foram submetidas a uma forma de onda de carga específica consistindo em:
  1. Ondas senoidais de baixa amplitude (10 N) para medir a sensibilidade de linha de base.
  2. Ondas senoidais progressivas de alta amplitude (até 70 N) com deslocamentos crescentes para induzir "pré-tensionamento".
  3. Períodos de espera para permitir a relaxação viscoelástica.
• Protocolo de Pré-tensionamento: As amostras foram carregadas em uma "orientação inicial" e depois invertidas para uma "orientação invertida" para testar a sensibilidade tanto em compressão quanto em tração. O objetivo era alterar irreversivelmente o fator de deformação ao induzir a falha controlada da fibra.
• Modelagem Teórica: A teoria clássica de vigas foi aplicada, incorporando cálculos de tensão térmica residual derivados da diferença nos coeficientes de expansão térmica (CTE) entre as fibras de carbono e a matriz. Um modelo elétrico assumiu que a mudança de resistência é proporcional à deformação média.

Principais Contribuições

1. Aumento Irreversível da Sensibilidade: O artigo demonstra que o pré-tensionamento de extensômetros de fibra de carbono contínua com altas cargas de flexão compressiva pode aumentar irreversivelmente seu fator de deformação (sensibilidade) em ordens de magnitude.
2. Identificação do Mecanismo: O estudo atribui o aumento da sensibilidade à falha progressiva local das fibras (quebra de monofilamento) causada pela combinação de tensões térmicas residuais da impressão e carga mecânica externa.
3. Coextrusão de Filamento Condutivo: A pesquisa introduz a coextrusão de filamento condutivo (Protopasta) ao redor das fibras de carbono como um método para melhorar a confiabilidade do sensor. Micrografias confirmaram que a matriz condutiva entra em contato com os feixes de fibra de carbono, fornecendo caminhos de corrente paralelos que fazem a ponte entre segmentos de fibra quebrados.
4. Análise Comparativa: O estudo compara as matrizes PETG e Protopasta, destacando a estabilidade elétrica superior e o menor ruído da abordagem de filamento condutivo.

Resultos

• Ganhos de Sensibilidade: O pré-tensionamento resultou em fatores de deformação superiores a 100 (especificamente atingindo 126 em tração para as amostras mais curtas impressas com Protopasta), significativamente mais altos do que os valores típicos encontrados na literatura para fibras intactas.
• Compressão vs. Tração: Na orientação inicial, a sensibilidade aumentou principalmente nos extensômetros sob compressão. Na orientação invertida, a sensibilidade aumentou tanto em compressão quanto em tração, embora o efeito tenha sido mais pronunciado em compressão.
• Ruído e Confiabilidade: Amostras impressas com Protopasta exibiram significativamente menor ruído elétrico e contato mais confiável em comparação com as impressas com PETG. As amostras de PETG sofreram frequentemente de falhas de contato ou altos níveis de ruído, atribuídos à incapacidade da matriz não condutiva de fazer a ponte entre os segmentos de fibra quebrados.
• Análise de Tensão: Cálculos indicaram que a tensão de compressão total (tensão de carga + tensão térmica residual) excedeu a resistência ao escoamento compressivo das fibras de carbono (aprox. 237 MPa), mas permaneceu abaixo de sua resistência ao escoamento à tração, apoiando a hipótese de que a quebra das fibras ocorreu principalmente devido à falha por compressão.
• Evidência Microestrutural: Micrografias revelaram vazios e encapsulamento incompleto de resina, o que permitiu que o Protopasta condutivo entrasse em contato direto com as fibras. A cisalhamento dos feixes de fibra também foi observado.

Significância e Alegações
O artigo alega que a combinação de pré-tensionamento e coextrusão de filamento condutivo oferece um caminho promissor para a criação de sensores estruturais impressos em 3D com alta sensibilidade. Os autores afirmam que este método permite a criação de sensores que medem sua própria deformação interna, diferentemente dos extensômetros montados na superfície.

No entanto, os autores mantêm um tom modesto em relação às limitações e aplicabilidade futura:

• Integridade Estrutural: O método requer a indução de fraturas de fibra para alcançar alta sensibilidade, o que reduz a resistência última da estrutura, tornando-a potencialmente inadequada para aplicações de carga crítica onde a resistência máxima é necessária.
• Deriva e Ruído: Embora o Protopasta tenha reduzido o ruído, a deriva viscoelástica na resposta da resistência ainda foi observada, o que pode afetar a precisão em aplicações de longo prazo.
• Limitações de Medição: O uso de uma configuração de dois pontos (em vez de quatro pontos) incluiu a resistência de contato nas medições, potencialmente subestimando o verdadeiro fator de deformação, embora os autores notem que os valores medidos já eram suficientemente altos para validar o conceito.
• Aproximações de Modelagem: Os modelos teóricos para tensão térmica residual e mecânica de vigas são reconhecidos como aproximações simplificadas devido à complexidade do processo de impressão e variabilidade dos materiais.

Em conclusão, o trabalho valida que o dano controlado (fratura de fibra) pode ser aproveitado para criar estruturas autossensíveis altamente sensíveis, desde que o compromisso na resistência estrutural e a necessidade de gestão de contato elétrico robusto sejam abordados.