Developing a pressure sensor for 3D nonwoven assemblies by using novel spacer stitching technology
Yenilikçi aralıklı dikiş teknolojisi kullanarak 3D dokumasız yüzeyler için basınç sensörü geliştirilmesi
- Tez No: 958999
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ALPER GÜRARSLAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Tekstil ve Tekstil Mühendisliği, Textile and Textile Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Tekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yenilikçi Teknik Tekstiller Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 77
Özet
Bu tez çalışmasında, giyilebilir teknoloji ve akıllı tekstiller alanında kullanılabilecek, dikiş tabanlı üretim yöntemine sahip basınç sensörlerinin geliştirmesi araştırılmıştır. Geleneksel katı-hal sensörlerin ağır, sert, zamanla duyarlılık kaybına uğrayabilen ve maliyetli olmaları gibi dezavantajları karşısında, tekstil tabanlı sensörler hafiflik, esneklik, vücuda uyum ve düşük maliyet avantajlarıyla öne çıkmaktadır. Bu doğrultuda giriş bölümünde, öncelikle basınç algılamada kullanılan kapasitif, piezoelektrik, rezistif sensörlerin çalışma prensiplerine değinilmiş ardından tekstil yüzeylere uygulanabilirlikleri literatürden örnek çalışmalar gösterilerek tartışılmıştır. Sonrasında, dokumasız yüzey teknolojisine genel bir bakış sunularak bu yapının özellikleri, üretim yöntemleri ve sensör uygulamaları incelenerek avantajları ele alınmıştır. Literatürde iletken iplik veya lifler kullanarak esnek sensör elde edilmesine dair çalışmalar incelenmiş; dikiş yöntemiyle iletken yapılar oluşturma konusunun üzerinde durulmuştur. Bu çerçevede, tez çalışmasının yeniliği olarak dikiş sırasında meydana gelen kumaş sıkışmasını önleyen ve iletken dikiş ipliğini bir sensör elemanına dönüştüren“aralıklı dikiş”tekniğinin, 3 boyutlu dokumasız tekstil yapılarından basınç sensörü geliştirilmesinde ilk kez uygulanması amaçlanmıştır. Yöntem ve malzeme bölümünde, deneysel çalışmada kullanılan malzemeler ve süreçler ayrıntılı şekilde açıklanmıştır. Basınç sensörünün yapısını oluşturan dokusuz yüzey üretilirken atık doğal liflerin de değerlendirilmesi hedeflenmiş ve yüksek performanslı içi boş bitkisel ipek olarak adlandırılan süt otu (milkweed, Asclepias syriaca) ve polyester (PET) lifleri harmanlanarak dokuduz yüzey kumaşı üretilmiştir. Süt otu lifleri biyobozunur ve hidrofobik ve içi boş bir yapıda olup, yine içi boş PET kesik elyafları ile karıştırılarak sürdürülebilir ve hafif bir lif kompozisyonu oluşturulmuştur. İlk olarak, PET lifleri laboratuvar tipi tarak makinesine beslenerek homojen bir tülbent elde edilmiş, ardından bu tülbent yapısının üzerine yarısına gelecek şekilde hedeflenen miktarda süt otu lifi eklenmiş ve tülbentin diğer yarısı süt otu liflerinin üzerine kapatılarak sandviç şeklinde tekrar taraktan geçirilmiştir. Olabildiğince homojen bir yapıya sahip olan karışım tülbent mukavemetinin ve diğer fiziksel performanslarını iyileştirebilmek amacıyla çift taraflı iğneleme makinasından geçirelerek dayanıklı bir dokumasız kumaş haline getirilmiştir. Tez çalışmasında kullanılacak numunelerin hazırlanması amacıyla iğnelenmiş karışım kumaşlardan iki adet 5×5 cm boyutunda numune kesilmiş ve bu kumaşların arasına konulmak üzere %100 PET liflerinden oluşan 5x5 cm boyutundaki tülbent yerleştirilerek üç katmanlı“sandviç”yapı oluşturulmuştur. Bu sandviç dokumasız yüzey, sensör uygulamasının tekstil yüzeyini oluşturup aynı zamanda ana malzeme olarak kullanılmıştır. Tezin en önemli yeniliği olan aralıklı dikiş teknolojisi, oluşturulan üç katmanlı dokumasız yapıya iletkenlik kazandırmak ve basınca duyarlı hale getirmek için uygulanmıştır. Aralıklı dikiş, dikiş işlemi sırasında kumaş katmanlarının sıkışmasını önleyen ve böylece yapının kalınlığını koruyarak içinde boşluklu bir dikiş oluşturan özel bir dikiş tekniğidir. Bu teknikte dikiş makinesinin masura ipliğinde elektrik iletimini sağlayacak gümüş kaplı iletken iplik kullanılırken, iğnede yüksek mukavemetli polyester dikiş ipliği (AMANN Saba, farklı kalınlıklarda) tercih edilmiştir. Bu tercihin sebebi iğne ipliğinin iplik gerdirici gibi makine parçalarından geçmesi sebebiyle yüksek gerilime maruz kalması ve sonuç olarak iletken iplikte kopmalara yol açabileceği düşüncesidir. Klasik 301 sınıfı kilit dikiş düzeneğinde, iğne ve masura ipliklerinin gerilimleri ayarlanarak iki ipliğin kumaş içinde birbirine kilitlenme noktası masura iplik yönüne kaydırılmıştır. Bu sayede dikiş atıldığında alt ve üst iplikler kumaş içerisinde hafif aralıklı kalmakta, üst üste binerek sıkışmamaktadır. Aralıklı dikiş sürecine geçmeden önce, uygun iplik gerginliği ayarı ve dikiş deseni, dikiş sırasında oluşan kilit noktalarını gözle görebilmek için saydam yapıda olan konvansiyonel aralıklı kumaş üzerinde birçok denemenin nihayetinde belirlenmiştir. Optimum gerginlik değeri saptandıktan sonra, üç katmanlı dokumasız sensör numunesi üzerine aralıklı dikiş uygulanmıştır. İlk olarak kumaşın bir yüzünden, seçilen desende dikiş hattı boyunca dikiş atılmış, böylece iletken iplikler alt yüzeyde bırakılmıştır. Ardından kumaş ters çevrilerek aynı hatta ikinci bir dikiş geçirilmiş ve bu kez iletken iplikler diğer yüzde oluşturulmuştur. Sonuçta dokumasız yapının her iki yüzünde iletken iplik hatlarına sahip, 3 boyutlu yapının içinde üst ve alt iletken ipliklerin birbirine değmeden karşılıklı konumlandığı bir aralıklı dikiş düzeni elde edilmiştir. Bu yenilikçi dikiş yaklaşımı, harici bir kuvvet uygulanmadığında iletken ipliklerin temas etmemesini, dolayısıyla devrenin açık kalmasını; basınç uygulandığında ise kumaş içindeki iletken ipliklerin birbirine temas ederek elektriksel sinyal üretmesini mümkün kılan bir yapı ortaya çıkarmıştır. Deneysel çalışmalar kapsamında, geliştirilen dokumasız kumaşların performansı çok yönlü testlerle değerlendirilmiştir. Öncelikle, karışım dokusuz yüzey kumaşın temel fiziksel özellikleri ölçülmüştür. Kalınlık değeri, ISO 9073-2 standardına göre bir tekstil kalınlık ölçer cihazıyla belirlenmiş; beş tekrar ölçüm sonucunda ortalama kalınlık rapor edilmiştir. Lif morfolojisi ve karışımın homojenliği, taraklanmış ve iğnelenmiş numunelerin kesitlerinin taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleriyle incelenmiştir. Süt otu liflerinin varlığını ve dağılımını doğrulamak amacıyla kompozisyon analizleri yapılmıştır. Mekanik dayanım özellikleri için çekme testi gerçekleştirilmiş ve numunelerin gerilme-mukavemet eğrileri elde edilmiştir. Ayrıca patlama dayanımı testi uygulanarak dokusuz yüzey kumaşının basınca karşı direnç sınırları ölçülmüştür. Aşınma direnci, Martindale aşınma test cihazıyla belirli döngü sayılarında numunelerin kütle ve görünüm değişimleri izlenerek değerlendirilmiştir. Dokusuz yüzey kumaşının hidrofobiklik özelliğini gözlemlemek üzere su temas açısı ölçümleri yapılmış; bu sayede lif yüzeylerindeki mumsu tabakanın su iticiliğe etkisi gözlenmiştir. Hava geçirgenliği testinde, belli bir basınç altında numune üzerinden geçen hava miktarı ölçülerek dokusuz yapının nefes alabilirlik performansı ortaya konmuştur. Son olarak, içi boş liflerin ısı yalıtımına katkısını belirlemek için termal iletkenlik ve termal direnç ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Tüm bu testler, literatürde rapor edilen benzer malzemelerle karşılaştırılarak dokumasız katmanların sensör uygulamasına uygunluğu analiz edilmiştir. Sonuçlar bölümünde, yapılan testlerin bulguları ve sensör uygulamasının başarımı ayrıntılı olarak sunulmuştur. Fiziksel testler neticesinde karışım dokusuz yüzey kumaş kalınlığının, sandviç yapısı ve iç boşluklu lif yapısı sayesinde yüksek olduğu görülmüştür. SEM görüntüleri, süt otu liflerinin PET lifleri arasında homojen dağıldığını ve liflerin karakteristik boşluklu yapısını koruduğunu göstermiştir. Patlama dayanımı ve mukavemet testlerinde karışım kumaşların basınca karşı tatmin edici bir direnç sergilediği saptanmıştır. Aşınma testlerinde numuneler belirli bir döngü sayısına kadar yapısal bütünlüğünü korumuş, ciddi bir yıpranma gözlenmemiştir. Su temas açısı ölçümü yaklaşık 146° gibi yüksek bir değerde bulunmuştur; bu durum süt otu liflerinin yüzeyindeki mumlu tabakanın güçlü hidrofobik etki yarattığını ve kumaşın su damlalarını emmek yerine tuttuğunu ortaya koymaktadır. Hava geçirgenliği testinde elde edilen değer, kumaş kalınlığının ve süt otu liflerinin boşluk doldurucu etkisinin hava akışını bir miktar kısıtladığını göstermiştir (karışım, tamamen PET liflerinden oluşan dokusuzlara kıyasla daha düşük poroziteye sahiptir). Termal analizler sonucunda, içi boş yapılı liflerin varlığı sayesinde kumaşın ısı iletkenliğinin 0,042 W/mK gibi düşük bir seviyede olduğu, buna karşın ısı direncinin 0,137 m²K/W gibi yüksek bir değer aldığı tespit edilmiştir. Bu bulgular, geliştirilen dokumasız yapının iyi bir yalıtım özelliği taşıdığını ve sensör uygulaması için çevresel etkilere karşı koruma sağlayabileceğini göstermektedir. Tezin son aşamasında, geliştirilen aralıklı dikişli dokumasız yapının basınç sensörü işlevini yerine getirdiği pratik bir devre gösterimi ile doğrulanmıştır. Geliştirilen sensör, iletken iplik uçları vasıtasıyla basit bir elektrik devresine entegre edilmiştir. Bu devrede kumaşın ön yüzündeki iletken iplik ucu bir pilin negatif kutbuna, arka yüzündeki iletken iplik ucu ise bir LED lambanın anot ucuna bağlanmıştır. Pilin pozitif kutbu LED'in diğer bacağına bağlanarak, dokumasız kumaş sensörünün açık olduğu durumda devreden akım geçmeyecek şekilde bir açık devre oluşturulmuştur. Sensör üzerine baskı uygulanmadığında, aralıklı dikiş nedeniyle üst ve alt iletken iplik hatları birbirinden ayrı konumda kaldığından elektrik akımı devreyi tamamlayamamaktadır. Basınç uygulandığında ise sandviç yapılı karışım kumaş içerisindeki iletken iplikler temas etmekte ve devre kapalı konuma geçmektedir. Bu durumda pilin akımı iletken iplikler üzerinden geçerek LED'i yakmakta, böylece basınç algılama olayı gözlemlenmektedir. Yapılan deneyde sensörlü dokumasız yüzey üzerine elle basıldığında LED'in anında yandığı, basınç kalktığında ise ipliklerin tekrar ayrılarak LED'in söndüğü kaydedilmiştir. Aynı aralıklı dikiş yöntemi, karşılaştırma amacıyla konvansiyonel aralıklı kumaş üzerinde de uygulanmış ve benzer şekilde basınca duyarlı bir anahtar işlevi gördüğü doğrulanmıştır. Bu sonuç, aralıklı dikiş tekniğinin farklı tekstil yapılarında güvenilir bir sensörleme yöntemi olabileceğini göstermektedir. Sonuç olarak, bu tez kapsamında atık süt otu lifleri ve PET liflerinden üretilmiş dokusuz yüzeylerden, aralıklı dikiş teknolojisini kullanarak başarılı bir basınç sensörü geliştirilmiştir. Önerilen yaklaşım, dikiş sürecindeki sıkışma problemini ortadan kaldırarak çok katmanlı yapının kalınlık ve bütünlüğünü korumakta ve iletken dikiş ipliklerinin hem yapısal bağlantı hem de sensör elemanı olarak kullanılmasını sağlamaktadır. Geliştirilen sensör esnek, hafif ve dayanıklı yapısıyla özellikle giyilebilir elektronikler, akıllı tekstiller ve teknik uygulamalar için önemli bir potansiyele sahiptir. İleride sensör tasarımının daha da optimize edilerek farklı basınç aralıklarına duyarlılığının artırılması, uzun süreli dayanıklılık testlerinin yapılması ve bu teknolojinin fizyolojik hareket izleme veya etkileşimli oyun halıları gibi çeşitli alanlardaki uygulamaları üzerinde çalışmalar planlanmaktadır. Bu tez çalışması, tekstil tabanlı sensörlerin geliştirilmesine katkı sağlayarak akıllı tekstiller alanında yeni araştırmalara zemin hazırlamaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis investigates the development of pressure sensors using a stitch-based production method, focusing on their application in wearable technology and smart textiles. In the face of the disadvantages of traditional solid-state sensors, such as being heavy, rigid, subject to loss of sensitivity over time, and being costly, textile-based sensors stand out with their advantages of lightness, flexibility, body compatibility, and low cost. In this direction, in the introduction section, the working principles of capacitive, piezoelectric, and resistive sensors used in pressure sensing are first mentioned, then their applicability to textile surfaces is discussed by showing sample studies from the literature. As an innovation of the thesis study, it is aimed to apply the“spacer stitching”technique, which prevents fabric compression during sewing and transforms the conductive sewing thread into a sensor element, for the first time in the development of pressure sensors from 3D nonwoven textile structures. In the method and material section, the materials and processes used in the experimental study are explained in detail. While producing the nonwoven surface forming the pressure sensor's structure, it aimed to evaluate the waste natural fibers. The nonwoven surface fabric was produced by blending milkweed (Asclepias syriaca) and polyester (PET) fibers. Milkweed fibers are biodegradable and have a hydrophobic and hollow structure, and a blended web created by mixing them with hollow PET staple fibers. First, a nonwoven web is created by using PET and milkweed fibers, then the web is passed through a double-sided needle-punching machine to improve the strength and other physical performances, and becomes a durable needle-punched nonwoven fabric. The most important innovation of the thesis, the spacer stitching technology, was applied to the created three-layer nonwoven structure to provide conductivity and make it sensitive to pressure. Within the scope of experimental studies, the performance of the developed nonwoven fabrics was evaluated with multi-dimensional tests. All these tests were compared with similar materials reported in the literature and the suitability of the nonwoven layers for sensor application was analyzed. In the results section, the findings of the tests performed and the success of the sensor application are presented in detail. These findings demonstrate that the developed nonwoven structure exhibits excellent insulation properties, providing protection against environmental effects for sensor applications. In the last stage of the thesis, it was verified with a practical circuit demonstration that the developed spacer stitched nonwoven structure fulfills the pressure sensor function. This result shows that the spacer stitching technique can be a reliable sensing method in different textile structures.
Benzer Tezler
- Hava aracı otopilot destek sistemi olarak bir pilot sağlık takip sistemi tasarımı, prototiplenmesi ve entegrasyonu
Design, prototyping and integration of a pilot health monitoring system as a support system for aircraft autopilot
EFKAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Binalarda kat bilgisinin mobil sensörler yardımıyla acil durum ve yönetim amaçlı tahmini
Estimation of exact floor information for emergency and emergency management on buildings by using mobile
SEMİH DALĞIN
Doktora
Türkçe
2015
Jeodezi ve Fotogrametriİstanbul Teknik ÜniversitesiGeomatik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AHMET ÖZGÜR DOĞRU
- Plastik malzemelerin yüzey kalitesini artırmak için yüzey aşındırma cihazının geliştirilmesi
Development of surface abrasion to improve the surface quality of plastic materials
ONUR KESKİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN ÜVET
- Ditiyeno[3,2-b;3′,2′-d]tiyofen (DTT)–bor içeren donör akseptör sistemlerin sentezleri ve özellikleri
Synthesis and properties of donor–acceptor systems possessing dithieno[3,2-b;3′,2′-d]thiophen (DTT)–boron
EMİNE BİLLUR SEVİNİŞ
- Dizel piezo enjektörü valf oturma çapının enjektör püskürtme parametrelerine olan etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of diesel piezo injector valve seat diameter on injector spray parameters
ŞİRZAT UĞUR AKSAKAL
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. OSMAN AKIN KUTLAR