Avanço na impressão 3D de Sensores de grafeno com alimentação própria para pneus inteligentes

Pesquisadores da Virginia Tech desenvolveram um método inovador para integrar sensores de deformação sem fio e com alimentação própria em pneus inteligentes usando impressão 3D e grafeno. Seu trabalho foi publicado recentemente na Nature e descreve o desenvolvimento e integração econômica de sensores piezoresistivos baseados em grafeno para pneus que podem medir e transmitir dados de pneus com segurança sem fio. Os sensores, que podem fornecer informações sobre as cargas dos pneus, pressão, temperatura e muito mais, são eficientes em termos de energia e coletam a energia de deformação do próprio pneu para transferir dados sem fio.

A equipe por trás deste novo trabalho incluiu pesquisadores do Centro de Pesquisa de Pneus (CenTiRe) e do Departamento de Engenharia Mecânica da VirginiaTech, bem como do Departamento de Ciência de Materiais e Engenharia Mecânica da Penn State.

Antes que existam carros totalmente autônomos, haverá pneus inteligentes. Pelo menos é o que os especialistas da Nokian Tyres (um fabricante de pneus finlandês conhecido mundialmente por se especializar em pneus de inverno) acreditam como parte de sua previsão de que os pneus inteligentes serão comuns em cinco anos. A opinião deles é que isso resultaria mais da necessidade de atender aos requisitos de segurança, em um futuro onde a direção autônoma é mais prevalente com regulamentos construídos em torno da segurança e confiabilidade dos sistemas autônomos. De fato, pelas estimativas desde 2015 até 2018, era esperado que 10 milhões de carros autônomos estivessem nas estradas em 2020. Embora isso não seja o caso agora, avanços e melhorias indicam que tais números seriam uma possibilidade em um futuro próximo.

Imagem cortesia de Virginia Tech and Nature.

Sem um driver, a condição e a segurança dos pneus precisam ser medidas de novas maneiras, usando sensores e tecnologias conectadas que transmitem informações diretamente para sistemas de bordo ou remotos. Esses sensores fornecerão dados para informar a tomada de decisão autônoma relacionada à condição do pneu, temperatura, pressão, aderência e desgaste e substituição. No futuro, os modelos de serviços conectados terão manutenção preventiva mais automatizada, como serviços de substituição de pneus – onde os sensores notificam os sistemas de bordo sobre a necessidade de substituição, que por sua vez se conectam aos fornecedores de serviços de pneus próximos que despacham um novo jogo de pneus para o proprietário do carro. Mesmo para os carros tradicionais atuais, essa tecnologia de sensor pode ser integrada aos pneus tradicionais, para reduzir o número de acidentes rodoviários causados ​​por problemas relacionados aos pneus.

Imagem cortesia de Virginia Tech and Nature.

No início de 2018, uma colaboração entre Virginia Tech e o Laboratório Nacional Lawrence Livermore desenvolveu um novo método baseado em estereolitografia para imprimir grafeno em 3D em teoricamente qualquer tamanho ou forma, em uma resolução mais alta do que antes. Isso possibilitou aplicações de grafeno, que combina de maneira única alta condutividade térmica e elétrica com fortes propriedades mecânicas, na indústria aeroespacial, sensores e baterias, entre outras aplicações. No início deste ano, também relatamos o desenvolvimento da Virginia Tech de um novo método de impressão 3D para borracha de látex, em alta resolução com propriedades mecânicas semelhantes às da borracha de látex tradicional.

Neste artigo, os sensores são feitos por este novo método de impressão 3D usando uma tinta à base de grafeno, que é projetada com uma microestrutura enrugada. As rugas fornecem alta flexibilidade e evitam que o sensor seja danificado ou falhe devido a deformações repetidas ou grandes no pneu. Os sensores de grafeno oferecem desempenho superior e são mais sensíveis em comparação com os sensores tradicionais. Com o método de impressão 3D desenvolvido por pesquisadores da Virginia Tech, o custo de um sensor de tensão impressa em 3D é tão baixo quanto 2,7 centavos. Seu método usa um aerossol com nanopartículas de prata para otimizar o processo de impressão, após o qual as folhas de óxido de grafeno são quimicamente reduzidas para obter óxido de grafeno reduzido com condutividade aprimorada. Esses sensores podem ser impressos diretamente em uma variedade de substratos, expandindo seu escopo de aplicações para além dos materiais de pneus.

Imagem cortesia de Virginia Tech and Nature.

Esta não é a primeira vez que esforços foram feitos para integrar sensores sem fio em pneus para torná-los ‘inteligentes’ na detecção e comunicação de parâmetros dinâmicos em tempo real. No entanto, a principal diferença nesses esforços é que esses sensores dependem de fontes de energia externas, são normalmente rígidos e seu desenvolvimento e integração envolve várias etapas, aumentando a complexidade e o custo de tais mecanismos sem fio para pneus. Por exemplo, os acelerômetros podem ser rígidos, os sensores capacitativos têm sensibilidade variável, as abordagens de captação de energia usando eletromagnetismo podem ser grandes e difíceis de integrar ou os nanogeradores que são flexíveis, mas caros de fabricar. Eventualmente, o patch piezoelétrico foi a abordagem escolhida para os pesquisadores neste caso, dada a sua flexibilidade, capacidade de suportar grandes deformações sem falha, custo-benefício e facilidade de integração.

Fonte: 3DPrint.com

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