Geri Dön

Fabrıcatıon of 3D prınted flexıble polyurethane nanocomposıte

3b baskili esnek poliüretan nanokompozit imalati

PDF İndir

  1. Tez No: 942970
  2. Yazar: ALİCAN MERT
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. BİRGÜL BENLİ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Polimer Bilim ve Teknolojisi, Polymer Science and Technology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Polimerik sensörler, son yıllarda gelişen malzeme bilimi ve üretim teknolojilerinin etkisiyle gerinim algılama sistemlerinde umut vaat eden bir alternatif olarak öne çıkmaktadır. Bu sensörler, sahip oldukları mekanik esneklik, hafiflik, biyouyumluluk ve maliyet avantajları ile metalik veya seramik temelli geleneksel sensörlerin yerine geçebilecek potansiyele sahiptir. Özellikle esnek elektronikler ve giyilebilir sistemlerde artan talep doğrultusunda, bu tür sensörlerin geliştirilmesi büyük önem kazanmıştır. Bu çalışmada, poliüretan (PU) esaslı, çok duvarlı karbon nanotüpler (MWCNT) ve grafen oksit (GO) gibi nanomalzemelerle zenginleştirilmiş piezorezistif polimer kompozitlerin 3B baskı yöntemiyle üretimi, tasarımı ve karakterizasyonu detaylı bir şekilde ele alınmaktadır. Polimerik sensörler, dış ortamdan gelen gerilme, basınç, sıcaklık veya diğer fiziksel etkileşimleri algılayarak elektriksel sinyale dönüştürebilme yeteneğine sahiptir. Bu dönüşüm çoğunlukla iletken polimerlerle ya da iletken dolgu malzemeleriyle zenginleştirilmiş kompozit yapılar aracılığıyla gerçekleşmektedir. Özellikle piezorezistif mekanizma, deformasyon altında malzemenin elektriksel direncinde meydana gelen değişimleri temel alır. Bu yaklaşım, hem üretim kolaylığı hem de esnek tasarım imkanları sayesinde geniş bir uygulama yelpazesinde tercih edilmektedir. Katmanlı üretim ya da diğer adıyla 3B baskı teknolojisi, polimerik sensörlerin üretiminde önemli bir rol oynamaktadır. Bu teknoloji sayesinde, karmaşık geometrilere sahip sensör yapıları düşük maliyetli, hızlı ve tekrarlanabilir şekilde üretilebilmektedir. Ayrıca kişiye özel tasarımların gerçekleştirilmesine olanak tanıyan 3B baskı, sensörlerin medikal, tekstil, robotik ve biyomekanik gibi alanlara entegrasyonunu kolaylaştırmaktadır. Bu çalışmada kullanılan baskı yöntemi, geleneksel filament teknolojisine sahip bir yazıcının modifiye edilmesiyle gerçekleştirilmiş ve sıvı fazda hazırlanan piezodirençli mürekkep yüzey üzerine doğrudan basılabilir hale getirilmiştir. Polimerik sensörlerin karakterizasyonu, performanslarının değerlendirilmesinde kritik öneme sahiptir. Bu bağlamda elektriksel ölçümler, mekanik testler gerçekleştirilmiştir. Elektriksel karakterizasyon ile sensörün gerinim-altında direnç değişimi incelenirken; mekanik testlerle malzemenin elastikiyet, dayanıklılık ve esneme kabiliyeti belirlenmiştir. Giyilebilir teknolojiye duyulan talep, esnek sensörlerin geliştirilmesini önemli kılmıştır. Bu sensörler, yalnızca gerinim değil, aynı zamanda sıcaklık, basınç, nem ve kimyasal parametreleri algılayabilen sistemler olarak da görev alabilmektedir. Bu sayede, kullanıcıların çevresel değişimlere karşı daha hassas ve etkili bir şekilde izlenmesi sağlanmaktadır. Giyilebilir sistemlerin insan vücudu ile doğrudan temas halinde olması gerektiğinden, kullanılan malzemelerin biyouyumlu, cilt dostu, esnek ve hafif olması büyük önem taşır. Bu açıdan poliüretan (PU), sahip olduğu esneklik, şeffaflık, kimyasal dayanım ve konfor sağlayan yüzey özellikleri sayesinde ideal bir alt taban malzemesi olarak öne çıkmaktadır. Fiziksel parametrelerin algılanmasında kullanılan temel mekanizmalar arasında piezoelektrik, triboelektrik, kapasitif ve piezorezistif yöntemler bulunmaktadır. Bu çalışmada piezorezistif yöntem tercih edilmiştir. Piezorezistif sensörlerde, deformasyon sonucu malzemenin elektriksel direncinde meydana gelen değişim, ölçülebilir bir elektriksel sinyale dönüştürülür. Bu yöntem, hem esnek yapılarda kullanılabilirliği hem de üretim kolaylığı açısından oldukça avantajlıdır. Piezorezistif davranışın elde edilmesinde aktif algılama elemanları olarak karbon nanotüpler, metalik nanotel yapılar, grafen türevleri, polimer nanofiberler ve metal nanoparçacıklar kullanılmaktadır. Bu malzemeler, yüksek yüzey alanları, iletkenlikleri ve deformasyona karşı duyarlılıkları sayesinde sensör performansını artırmaktadır. Bu bağlamda çalışmanın temel amacı, cilt üzerindeki gerinimlerin ve kas hareketlerinin izlenmesini sağlayacak PU bazlı esnek kompozit sensörlerin üretilmesidir. Bu sensörlerin, ortopedik alanlarda, özellikle eklem zorlanmalarına karşı uyarı verebilecek şekilde tasarlanması hedeflenmiştir. Sensörün vücut yüzeyine uyum sağlaması, kullanıcı konforunu artırması ve ticari kinezyoloji bantları ile birlikte kullanılabilir olması gözetilmiştir. Aktif algılama malzemesi olarak MWCNT ve GO gibi karbon bazlı nanomalzemeler tercih edilmiştir. Bu malzemeler, PU matrisine entegre edilerek piezorezistif mürekkep hazırlanmış ve yüzey üzerine 3B baskı yöntemiyle uygulanmıştır. Çalışma kapsamında ilk olarak uygun PU türü belirlenmiş ve tedarik edilmiştir. Farklı viskozitelerde iki tür PU temin edilmiş; bunlardan biri saydam katı pelet formunda, diğeri ise viskoz bir çözelti ve kürleyici içeren iki bileşenli sistemdir. Katı formdaki PU, uygun bir çözücü (örneğin NMP) içinde çözülerek ince film hâlinde cam yüzeylere dökülmüş, esneklik testleri gerçekleştirilmiştir. Bu testler sonucunda katı pelet formundaki PU'nun yüksek esneklik sağladığı, iki bileşenli sistemin ise neredeyse hiç esneme göstermediği belirlenmiştir. PU esaslı mürekkep hazırlanmasında çözücü seçimi oldukça kritiktir. Çünkü çözücü, nanomalzemelerin homojen dağılmasını ve viskozitenin baskıya uygun hale gelmesini sağlar. Bu amaçla NMP, DMA ve Etanol çözücüleri test edilmiştir. Dağılım verimliliği açısından en başarılı sonuç, NMP kullanıldığında elde edilmiştir. Nanomalzemelerin dağılımı için mekanik karıştırma yetersiz kalmakta, bu nedenle yüksek frekanslı ultrasonik homojenizatörler tercih edilmektedir. Bu çalışmada Bandelin Sonopuls HD2070 cihazı ile ultrasonik dispersiyon gerçekleştirilmiştir. Bu yöntem sayesinde CNT ve GO'nun PU matrisinde homojen şekilde dağılması sağlanmış ve sensör performansında gözle görülür iyileşme elde edilmiştir. 3B baskı işlemi için yaygın kullanılan Creality Ender 3 v2 cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz, standart olarak PLA ve ABS gibi filamentlerle çalışmak üzere tasarlanmıştır. Ancak bu çalışmada sıvı mürekkep ile baskı yapılacağı için yazıcı üzerinde modifikasyon yapılmış ve şırınga pompası entegre edilmiştir. Bu sayede, belirli viskozite aralığında hazırlanan piezorezistif çözelti, özel olarak tasarlanmış bir baskı kafasından yüzeye aktarılabilmiştir. Baskı sürecinde, enjektör hacmi, nozzle çapı ve baskı hızı gibi parametreler optimize edilmiştir. Sensör tasarımlarında farklı geometrilerin gerinim hassasiyetine olan etkisi incelenmiştir. Bu amaçla Autodesk Fusion 360 CAD yazılımı kullanılarak çeşitli desenlere sahip modeller oluşturulmuştur. Aynı yüzey alanına sahip ancak farklı hat yönelimi, yoğunluğu ve eğriliklere sahip desenlerin elektriksel cevabı karşılaştırılmıştır. Böylece, sensör tasarımının yalnızca malzeme seçimiyle değil, aynı zamanda geometrik yapıyla da önemli ölçüde ilişkili olduğu ortaya konmuştur. Sonuç olarak, PU matrisine başarıyla entegre edilen karbon nanotüpler ve grafen oksit, piezorezistif performans üzerinde sinerjik bir etki oluşturmuş, bu sayede %10–15 oranında direnç değişimi hassasiyetinde iyileşme sağlanmıştır. Ayrıca, uzun vadeli dayanıklılık testlerinden geçen bu sensörler, esnek kumaş yüzeylere başarıyla uygulanabilmiş ve deformasyon altında tekrarlanabilir elektriksel yanıtlar göstermiştir. Ultrasonik dispersiyon uygulanmadan elde edilen kompozitlerde piezorezistif performans düşerken; yüzey fonksiyonelleştirme, metal nanoparçacık katkısı ve gelişmiş dağıtım teknikleriyle bu dezavantajın giderilebileceği gösterilmiştir. Karbon nanotüplerin doğal piezoelektrik katsayısı 1–10 pC/N aralığında olup, bu değer PZT ve PVDF gibi geleneksel piezoelektrik malzemelere göre düşüktür. Ancak geliştirilen yöntemler ve kompozit tasarımları sayesinde bu fark minimize edilmiştir. Genel olarak değerlendirildiğinde, bu çalışma ile poliüretan matrisli, nanomalzeme katkılı, 3B baskı ile üretilebilen esnek gerinim sensörlerinin hem tasarım hem de üretim süreçlerinin optimize edilerek, giyilebilir teknolojiler başta olmak üzere pek çok alanda uygulanabilirliği ortaya konmuştur. Bu tür sensörlerin biyomedikal, sportif analiz, robotik algılayıcı sistemler ve yapısal sağlık izleme gibi alanlarda yaygınlaşması, ileri malzeme tasarımı ve üretim teknolojilerinin entegrasyonuna bağlıdır. Bu bağlamda, çalışma aynı zamanda çok disiplinli araştırmalar için temel bir referans niteliğindedir.

Özet (Çeviri)

Polymeric sensors offer significant potential for strain sensing applications due to their flexibility, lightweight nature, and cost-effectiveness. This study presents a comprehensive review of the development of polymeric polyurethane strain sensors using 3D printing techniques, focusing on key elements such as materials, fabrication methods, sensing principles, and practical uses. These sensors utilize conductive polymers or polymer composites infused with conductive materials to detect strain. The fabrication process involves preparing polymeric ink, utilizing additive manufacturing for 3D printing sensor structures, and optimizing them through post-processing steps. Various characterization techniques, including electrical measurements, mechanical tests, and morphological analysis, are employed to assess sensor performance. These sensors have wide-ranging applications, including structural health monitoring, wearable technology, human-machine interfaces, and biomedical engineering. With the rising demand for wearable technologies, lightweight, flexible, and durable sensors have become essential. Such sensors monitor environmental changes, detect physical and chemical stimuli, and transmitting data to electronic circuits. Flexible substrates, like polycarbonate (PC), polyurethane (PU), and silicone elastomers, are preferred for their transparency, strength, and flexibility, enabling diverse sensor geometries. Sensing platforms rely on changes in electrical parameters, such as piezoelectricity, triboelectricity, capacitance, or resistance, to measure and analyze physical data like temperature and pressure. Active sensing elements, including carbon-based nanomaterials like carbon nanotubes (CNTs), semiconductor and metallic nanowires, polymer nanofibers, and metallic nanoparticles, are frequently employed. These materials exhibit alterations in their electrical characteristics when subjected to loads or deformations, rendering them efficient sensors. This study aims to design and characterize wearable elastic Polyurethane (PU)-based composite sensors for injury prevention by tracking skin strain and muscle movement. These sensors must adapt to natural human motion and be compatible with materials like Kinesio Tape. High-performance piezoresistive materials such as carbon-based Multi Walled Carbon Nanotubes (MWCNT), Graphene Oxide (GO) and carbon were used to ink components for printing onto elastic polyurethane-based composite PU substrates. The study began with the procurement of polymer materials, follow by a market investigation to identify suitable types of polyurethane (PU) that would offer the required flexibility for the sensor and serve as the base material for the piezoresistive composite. Materials were sourced from two domestic suppliers: one supplied solid, transparent PU pellets, while the other provided a dark-colored, viscous liquid PU accompanied by a curing agent. To evaluate flexibility, the solid PU particles were dissolved in an appropriate solvent to form a liquid mixture, which was then used to cast films on a glass substrate in thicknessess ranging from 30 to 120 microns. The results demonstrated that films produced from the solid PU were flexible, whereas those fabricated from the two-component liquid PU showed minimal to no flexibility. PU is a two-component system comprising isocyanate and polyol, and different chemical formulations can be selected based on the desired properties of the final solution. Since the was intended for use in 3D printing applications, controlling the viscosity was a critical factor. Additionally, the choice of solvent was investigated to enhance the piezoresistive performance of the carbon-based filler and to ensure uniform dispersion throughout the matrix. Among the solvents evaluated NMP (N-Methyl-2-pyrrolidone), DMA (Dimethylacetamide), and ethanol-NMP demonstrated the most effective solvency and distribution characteristics. It is essential for piezoresistive materials such as carbon nanotubes or graphene to be uniformly dispersed within the polymer matrix to ensure consistent electrical performance. To achieve effective dispersion, ultrasonic homogenization was employed using the Bandelin Sonopuls HD2070 Ultrasonic Homogenizer. This method yielded superior results compared to conventional mechanical mixing, within the polymer matrix to ensure consistent electrical performance. The piezoresistive properties were further optimized by incorporating varying ratios of carbon nanotubes or graphene into the composite formulation. For the 3D printing process, the widely used Creality Ender 3 V2 printer was selected due to its accessibility and compatibility with common thermoplastics such as PLA and ABS. The printer was modified with a custom-designed adapter fabricated from the same plastic material it it typically extrudes. Additional modifications included integrating medical-grade components and a syringe pump system to enable the extrusion of piezoresistive ink. During this phase, comprehensive tests were conducted to calibrate printing parameters, including print speed, nozzle diameter, and injection volume, in accordance with the viscosity of the ink formulation. Another key aspect of the study was to examine how different sensor geometries influence strain sensitivity. Sensor designs were developed using Autodesk Fusion 360, a computer-aided design (CAD) software, and various patterns were created while maintaining consistent sensor diameters. The The effects of these geometrical variations on sensor performance were then analyzed. Since the 3D printer utilized fused deposition modeling (FDM) technology with solid filament input, the printing strategy and software were adjusted accordingly to accommodate the liquid-phase piezoresistive polymer solutions. In conclusion, nanocarbon materials were successfully integrated into a polyurethane polymer matrix, resulting in films and sensors that demonstrated a 10-15% improvement in piezoelectric properties. This enhancement was attributed to the synergistic effects of multi-walled carbon nanotubes, graphene, and the their combined use within the matrix. The resulting composites not only exhibited improved performance but also passed long-term durability tests and were effectively 3D printed onto flexible fabric substrate. Although carbon nanotubes that are not dispersed via ultrasound typically exhibit lower piezoelectric coefficients (ranging from 1-10 pC/N) compared to conventional piezoelectric materials such as PZT (Lead Zirconate Titanate) and PVDF (Polyvinylidene Fluoride), their performance can be significantly improved. Enhancements may be achieved through the incorporation of metal nanoparticles, surface functionalization of carbon nanotubes, and the application of advanced manufacturing techniques such as ultrasonic homogenization, all of which contribute to increased piezoelectric responsiveness.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    948231

    A methodology for the development of stımulı-responsıve archıtectural desıgn systems through programmable metamaterıal patterns

    Programlanabilir metamalzeme örüntüleri aracılığıyla uyaranlara-duyarlı mimari tasarım sistemlerinin geliştirilmesine yönelik bir metodoloji

    ZEHRA GÜLOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilişim Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİL YAZICI

  2. Tez No

    682251

    Design and fabrication of magnetically actuated cell sorter

    Manyetik olarak kontrol edilebilen hücre siniflandirici tasarimi ve üretimi

    MERVE GÜLLE

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyomühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ AHMET CAN ERTEN

  3. Tez No

    798816

    Design, fabrication and control of a novel shape memory alloy (SMA)-wire-based flexible composite actuator

    Ozgün bir şekil bellek alaşım (ŞBA) tabanlı esnek kompozit eyleyicinin tasarımı, üretimi ve denetimi

    ERAY TEOMAN ÖNDER

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SELAHATTİN ÇAĞLAR BAŞLAMIŞLI

    DOÇ. DR. BİLSAY SÜMER

  4. Tez No

    930788

    FDM-based 3D-printed stainless-steel electrodes with nickel coating for energy storage applications

    Enerji depolama uygulamalari için nikel kaplamali FDM tabanli 3D-baskili paslanmaz çelik elektrotlar

    ZEHİR HARFUŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Makine MühendisliğiGaziantep Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDULCABBAR YAVUZ

    DR. MUSA YILMAZ

  5. Tez No

    826659

    Finite element modeling of an origami inspired delta mechanism

    Origamiden esinlenilmiş delta mekanizmasının sonlu eleman modellemesi

    ATA ARJOMANDI FARD

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ATAKAN ALTINKAYNAK

    DR. MERVE ACER KALAFAT

Geri Dön