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Desenvolvimento de sensor piezorresistivo nanoestruturado impresso em 3D

dc.contributor.advisor-co1REIS, Marcos Allan Leite dos
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/8252507933374637pt_BR
dc.contributor.advisor-co1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-2226-2653pt_BR
dc.contributor.advisor1FEIO, Waldeci Paraguassu
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/3512689932467320pt_BR
dc.contributor.advisor1ORCIDhttps://orcid.org/0000-0003-4980-4694pt_BR
dc.creatorQUARESMA, Luciano JosƩ Barbosa
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/0159374239730645pt_BR
dc.date.accessioned2023-08-03T19:00:51Z
dc.date.available2023-08-03T19:00:51Z
dc.date.issued2023-07-05
dc.description.abstractThe emergence of smart factories based on Industry 4.0 increases the automation and optimization of industrial processes in production chains. In this context, the integration between physical and digital systems depends on intelligent sensors, with greater sensitivity and integrated by the Internet of Things (IoT). The literature indicates that piezoresistive sensors can be produced by additive manufacturing (AM) and nanostructured with carbon nanotubes (NTCs), which generate a nanoelectromechanical system (NEMS) after its dispersion in the material. Thus, this work presents the development of a low-cost piezoresistive nanoelectromechanical sensor, produced by applying layers of NTCs on poly(acrylonitrile-butadiene-styrene) (ABS) parts printed by fused deposition modeling (FDM), integrable to the Industry 4.0 via IoT through ESP32 microcontrollers. For this, a diaphragm-type sensor device with dimensions 17.8, 17.8 and 5.5 š‘šš‘š was developed, whose sensor element deformation occurs by pressing a button. After MA printing of the device parts, carboxylic acid functionalized multi-walled CNTs (MWCNT-COOH) were dispersed by ultrasonic bath in a solution with a concentration of 1 š‘šš‘”/š‘šš‘™ of acetone and dimethylformamide, in a ratio of 1 ∶ 1 in volume, for coating the sensor elements in successive layers with an aerograph. After the deposition of five layers of CNTs on the polymeric substrate, measurements of electrical resistance obtained with a picoammeter showed the percolation of the material in the second layer, with initial values above 10 š‘‡ Ī© and final values below 100 š‘˜ š‘‚š‘šš‘’š‘”š‘Ž after the fifth layer, which occurs by the formation of conduction channels originating from the random arrangement of CNTs on the ABS surface, as observed by Field Emission Scanning Electron Microscopy (FEG-SEM). After that, the electrical resistance was measured during pressure cycles with progressive load and with maximum load, in which the sensor elements presented an operating range of 139.97 ± 0.46 to 363.25 ± 0.39 š‘˜š‘ƒ š‘Ž. In the first test, the minimum sensitivity of 0.1 % and maximum sensitivity of 1.16 %. In the second, the highest average sensitivity was 0.63 ± 0.04 % and the lowest average response and recovery times were 0.55 ± 0.29 š‘  and 12.29 ± 1.44 š‘ , respectively. Raman spectroscopy showed the overlapping of the signals of each material, in particular the ABS band at 1447 š‘š‘šāˆ’1 which appears prominently between the NTCs š· and šŗ bands. Based on the piezoresistive response that the material presented from the NEMS generated by the deposition of NTCs on ABS, this concept of a load cell can be integrated into an ESP32 microcontroller board, making it an intelligent device with potential application in industrial systems. 4.0.en
dc.description.affiliationUFPA - Universidade Federal do ParƔpt_BR
dc.description.resumoO surgimento de fĆ”bricas inteligentes baseadas na IndĆŗstria 4.0 aumenta a automação e a otimização dos processos industriais nas cadeias de produção. Neste contexto, a integração entre sistemas fĆ­sicos e digitais depende de sensores inteligentes, com maior sensitividade e integrados pela Internet das Coisas (IoT). A literatura indica que sensores piezorrresistivos podem ser produzidos por manufatura aditiva (MA) e nanoestruturados com nanotubos de carbono (NTCs), os quais geram um sistema nanoeletromecĆ¢nico (NEMS) após sua dispersĆ£o no material. Assim, este trabalho apresenta o desenvolvimento de um sensor piezorrresistivo nanoeletromecĆ¢nico de baixo custo, produzido pela aplicação de camadas de NTCs sobre peƧas de poli(acrilonitrila-butadieno-estireno) (ABS) impressas por modelagem de deposição fundida (FDM), integrĆ”vel Ć  IndĆŗstria 4.0 via IoT atravĆ©s de microcontroladores ESP32. Para isso, foi desenvolvido um dispositivo sensor do tipo diafragma de dimensƵes 17, 8, 17, 8 e 5, 5 š‘šš‘š, cuja deformação do elemento sensor ocorre pela pressĆ£o de um botĆ£o. Após a impressĆ£o por MA das partes do dispositivo, NTCs de paredes mĆŗltiplas funcionalizados com Ć”cido carboxĆ­lico (NTCPM-COOH) foram dispersos por banho ultrassĆ“nico em uma solução com concentração de 1 š‘šš‘”/š‘šš‘™ de acetona e dimetilformamida, em proporção de 1 ∶ 1 em volume, para revestimento dos elementos sensores em camadas sucessivas com um aerógrafo. Após a deposição de cinco camadas de NTCs no substrato polimĆ©rico, medidas de resistĆŖncia elĆ©trica obtidas com um picoamperĆ­metro mostraram a percolação do material na segunda camada, com valores iniciais acima de 10 š‘‡ Ī© e finais abaixo de 100 š‘˜Ī© após a quinta camada, o que ocorre pela formação de canais de condução originados do arranjo aleatório dos NTCs na superfĆ­cie do ABS, como observado por Microscopia EletrĆ“nica de Varredura por EmissĆ£o de Campo (MEV-FEG). Após isso, a resistĆŖncia elĆ©trica foi medida durante ciclos de pressĆ£o com carga progressiva e com carga mĆ”xima, nos quais os elementos sensores apresentaram faixa de operação de 139, 97 ± 0, 46 a 363, 25 ± 0, 39 š‘˜š‘ƒ š‘Ž. No primeiro teste, a sensitividade mĆ­nima de 0, 1 % e mĆ”xima de 1, 16 %. No segundo, a maior sensitividade mĆ©dia foi 0, 63±0, 04 % e os menores tempos de resposta e de recuperação mĆ©dios foram 0, 55±0, 29 š‘  e 12, 29 ± 1, 44 š‘ , respectivamente. A espectroscopia Raman mostrou a sobreposição dos sinais de cada material, em particular da banda do ABS em 1447 š‘š‘šāˆ’1 que aparece destacada entre as bandas š· e šŗ dos NTCs. Com base na resposta piezorrresistiva que o material apresentou a partir do NEMS gerado pela deposição de NTCs sobre o ABS, este conceito de uma cĆ©lula de carga pode ser integrado Ć  uma placa microcontroladora ESP32, tornando-o um dispositivo inteligente com potencial aplicação em sistemas industriais 4.0.pt_BR
dc.description.sponsorshipCAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superiorpt_BR
dc.identifier.citationQUARESMA, Luciano José Barbosa. Desenvolvimento de sensor piezorresistivo nanoestruturado impresso em 3D. Orientador: Waldeci Paraguassu Feio. 2023. 115 f. Dissertação (Mestrado em Ciência e Engenharia de Materiais) - Campus UniversitÔrio de Ananindeua, Universidade Federal do ParÔ, Ananindeua, 2023. Disponível em: https://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/15815. Acesso em:.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufpa.br/jspui/handle/2011/15815
dc.languageporpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do ParƔpt_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.departmentCampus UniversitƔrio de Ananindeuapt_BR
dc.publisher.initialsUFPApt_BR
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Ciência e Engenharia de Materiaispt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.sourceDisponĆ­vel na internet via Sagittapt_BR
dc.subjectIndĆŗstria 4.0pt_BR
dc.subjectNanotubos de Carbonopt_BR
dc.subjectManufatura aditivapt_BR
dc.subjectIndustry 4.0en
dc.subjectCarbon Nanotubesen
dc.subjectAdditive manufacturingen
dc.subject.areadeconcentracaoCARACTERIZAƇƃO, DESENVOLVIMENTO E APLICAƇƃO DE MATERIAISpt_BR
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALURGICApt_BR
dc.subject.linhadepesquisaMATERIAIS NANOESTRUTURADOSpt_BR
dc.titleDesenvolvimento de sensor piezorresistivo nanoestruturado impresso em 3Dpt_BR
dc.typeDissertaçãopt_BR

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