Visualizações: 222 Autor: Leah Publicar Tempo: 2025-02-05 Origem: Site
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● 1. Fundamentos do design de células de carga de tensão
● 2. Materiais tradicionais: limitações e legado
>> 2.1 ligas de alumínio (por exemplo, 6061-T6)
>> 2.2 Aço inoxidável (por exemplo, 17-4 pH)
>> 2.3 Aços de liga (por exemplo, 4340)
● 3. Materiais compostos: avanços da engenharia
>> 3.1 Categorias de materiais
● 4. Projeto inovações para células de carga composta
>> 4.1 Sistemas híbridos de compostos metálicos
>> 4.2 Materiais compostos inteligentes
● 5. Comparação de desempenho: composto vs. metal
● 6. Superando desafios específicos de compostos
>> 6.1 Ligação do medidor de deformação
>> 8.1 Compósitos impressos em 4D
>> 8.2 Compostos baseados em biodudação
>> 1. Que faixa de temperatura pode suportar as células de carga de tensão compostas?
>> 2. Como as células de carga composta lidam com cargas dinâmicas?
>> 3. As células de carga compostas são adequadas para ambientes à prova de explosão?
>> 4. Qual é o tempo de entrega para células de carga composta personalizadas?
>> 5. Os compósitos podem substituir metais em mais de 10.000 kN de carga de células?
As células de carga de tensão são indispensáveis na engenharia moderna, medindo forças em aplicações desde o monitoramento de cabos da ponte até as linhas de montagem robótica. Enquanto metais como aço inoxidável e alumínio dominam a indústria, os materiais compostos estão emergindo como alternativas inovadoras. Este artigo examina a viabilidade técnica, as inovações de design e as aplicações industriais de células de carga de tensão composta, com foco nos avanços da ciência material e implementações do mundo real.
As células de carga de tensão convertem força mecânica em sinais elétricos através da deformação do medidor de deformação. Os principais componentes incluem:
- Elemento elástico: a estrutura primária portadora de força (tradicionalmente metálica).
- Gosais de tensão: dispostos em configurações de Wheatstone Bridge para precisão [6] [13].
-Condicionamento de sinal: amplificadores e conversores analógicos para digitais [55].
Requisitos de material:
- Alta força de escoamento (σy) para prevenir a deformação plástica
- Módulo de Young consistente (e) para resposta linear
- Resistência à fadiga (NF> 10⁶CYCLES) [18] [34]
- Resistência à tração: 310 MPA
- densidade: 2,7 g/cm³
- Uso típico: sensores industriais de baixo custo [18] [23]
- Resistência à tração: 1.310 MPA
- Resistência à corrosão: Excelente em ambientes úmidos [10]
- Desvantagens: 3 × mais pesado que o alumínio [18]
- Limite de fadiga: 500 MPa (10⁷ ciclos)
- Aplicações: escalas de guindaste, máquinas pesadas [34]
| do tipo composto | (MPA) | (g/cm³) | vantagem -chave |
|---|---|---|---|
| Fibra de carbono (CFRP) | 1.500-2.500 | 1.5–1.6 | Alta rigidez ao peso |
| Fibra de vidro (GFRP) | 1.000-1.500 | 1.8–2.0 | Econômico |
| Aramid (Kevlar®) | 3.000 a 3.600 | 1.4 | Resistência ao impacto |
| Fibra natural (cânhamo) | 400–700 | 1.3 | Sustentabilidade |
Tabela 1: Propriedades mecânicas dos materiais de células de carga de tensão composta [5] [59] [62].
- enrolamento do filamento: alinhamento de fibra de precisão para células de carga cilíndrica [59]
- Moldagem por transferência de resina (RTM): geometrias complexas com tolerância de 50 μm [28]
- Impressão 3D: Termoplásticos reforçados com grafeno para prototipagem rápida [28]
Estudo de caso: Monitoramento de carga da asa Airbus A350
- Material: Toray T800H/3900-2 CFRP
- Economia de peso: 22 kg por asa em comparação com o alumínio [5]
-Solução de bitola de tensão: medidores de cobre-níquel-níquel laser em superfícies tratadas com plasma [28]
Combinando caminhos de carga de aço com alojamentos compostos:
- 30% de redução de peso
- 15% de economia de custo vs. projetos de compostos completos [65]
Exemplo: Monitoramento de carga do guindaste offshore
- Estrutura: núcleo de aço + shell CFRP
- Benefícios: resistência à corrosão (ISO 9227 Salp spray> 1.000 horas) + alta capacidade [59]
- Compostos auto-sensíveis: Os nanotubos de carbono (CNTs) atuam como sensores de deformação incorporados [66]
- Polímeros de memória de forma: recalibre automaticamente após eventos de sobrecarga [28]
| Parâmetro | de alumínio (6061) | Aço (4340) | CFRP |
|---|---|---|---|
| Força de tração (MPA) | 310 | 1.720 | 2.500 |
| Densidade (g/cm³) | 2.7 | 7.85 | 1.6 |
| Expansão térmica (μm/m · k) | 23.6 | 11.3 | 2–5 (axial) |
| Resistência à corrosão | Moderado | Alto | Excelente |
Tabela 2: Comparação de material para aplicações de células de carga de tensão [5] [18] [62].
CFRP Carregar custos de célula:
- Material: US $ 120 a US $ 200/kg
- usinagem: 40% maior que o alumínio
- ROI: alcançado em 2 a 3 anos para aplicações aeroespaciais [59]
Preparação de superfície:
- Ablação a laser (RA 3,2–6,3 μm)
- Agentes de acoplamento de silano para adesão epóxi [66]
- Tipos de medidores:
- Semicondutor (350 Ω) para alta sensibilidade
- Padrões fotolitográficos para compósitos anisotrópicos [28]
Absorção de umidade:
- 0,1-0,3% de ganho de peso na GFRP (ASTM D5229)
- Mitigação: resinas modificadas por nanoclay [59]
Compensação de temperatura:
- grades incorporadas de fibra Bragg (FBG)
- Precisão: ± 0,02% Fs de -40 ° C a +85 ° C [66]
- Monitoramento de cabos de turbina eólica:
- Material: GFRP com sensores de deformação em PVDF
- Capacidade: 50–200 kN
- Lifetime: mais de 20 anos em ambientes marinhos [59]
Feedback da força cirúrgica:
- Material: Fibra de Carbono Peek
- Esterilização: autoclavável até 135 ° C
- Resolução: 0,01 n [28]
-Rigidez dependente do tempo: ajusta o histórico de carregamento por meio de ligas de memória de forma [28]
- Aplicações: ganchos adaptativos de guindaste, armas de drone morphing
- compósitos de linho:
- Força de tração: 280 MPa
- Pegada de carbono: 60% menor que a GFRP [59]
As células de carga de tensão composta representam uma mudança de paradigma na tecnologia de medição de força. Enquanto os metais tradicionais ainda dominam as aplicações industriais de alta carga, os compósitos de fibra de carbono e vidro estão esculpindo nichos nos setores de energia aeroespacial, médica e renovável. À medida que a fabricação aditiva e as tecnologias de materiais inteligentes amadurecem, as células de carga compostas estão prontas para capturar 25 a 30% do mercado global até 2030, impulsionadas pelas demandas por soluções leves, resistentes a corrosão e com eficiência energética.
As células de carga CFRP operam de -55 ° C a +150 ° C, enquanto as matrizes termoplásticas se estendem a +200 ° C com preenchimentos de cerâmica [59] [66].
As taxas de amortecimento de 0,03-0,05 no CFRP reduzem o ruído da vibração em 40% em comparação com o aço [5] [28].
Sim, o CFRP não poupador passa as certificações ATEX/IECEX para áreas perigosas da Zona 0 [59].
Os protótipos impressos em 3D levam de 2 a 3 semanas vs. 8 a 10 semanas para a usinagem tradicional [28].
Ainda não-os desenhos híbridos usando núcleos de aço permanecem padrão para capacidades ultra-altas [65].
[1] https://www.transducertechniques.com/tll-3k-tension-load-cell.aspx
[2] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell/tension
[3] https://www.compositesworld.com/articles/an-examination-of-tension-control-in-a-white-paper-from-the-Montalvo-corp
[4] https://patents.google.com/patent/us6555767b1/en
[5] https://www.addcomposites.com/post/introduction-to-composite-materials
[6] https://www.interfaceforce.com/tension-load-cells-101/
[7] https://www.thames-side.com/support/faq/
[8] https://www.fibossensor.com/how-to-use-tension-load-cell.html
[9] https://dfe.com/support-resources/what-is--tension-load-cell/
[10] https://www.laumas.com/ru/blog/products/the-main-types-of--load-cells/
[11] https://www.omega.com/en-us/resources/load-cells
[12] https://www.futek.com/store/custom-sensors-and-instruments/load-cells-force-sensors/tension-compression-load-cell-qla199
[13] https://en.wikipedia.org/wiki/load_cell
[14] https://www.youtube.com/watch?v=krdq4oywujm
[15] https://www.futek.com/store/legacy-sensors-and-instruments/tension-compression-lsb300/fsh00961
[16] https://eilersen.com/digital-load-cells/product/tension-load-cell-tm
[17] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell
[18] https://www.linkedin.com/pulse/material-matters-when-selecionando--tright-load--interfaceforce-ghiwc
[19] https://www.interfaceforce.com/types-of-load-cells-101/
[20] https://www.laumas.com/en/product/sa-tenscompression-load-cells/
[21] https://www.mt.com/ph/en/home/library/know-how/industrial-scales/load-cell-types-and-applications.html
[22] https://ph.rs-online.com/web/content/discovery/ideas-and-advice/load-cells-guide
[23] https://www.transducertechniques.com/tll-3k-tension-load-cell.aspx
[24] https://www.czkunweitech.com/zh/products/kwt1d78cable-gland-pke-lound-thread-load-cell/
[25] https://tjlijing.en.made-in-china.com/product/qoiazjnlxfyt/china-sk-200kg-300kg-500kg-tension-force-sensor-load-Cell-Digital-Fabric-Composite-Process-tension-controle.html
[26] https://www.grdjournals.com/uploads/article/grdje/v05/i09/0004/grdjev05i090004_received_file_1596536535.doc
[27] https://www.zwickroell.com/accessories/load-cells/
[28] https://www.mdpi.com/1424-8220/21/11/3675
[29] https://www.hbm.com/en/3839/preferred-types-of-strain-gauges-for-composites/
[30] https://www.interfaceforce.com/how-are-arload-cells-used-for-weighing/
[31] https://compositeskn.org/kpc/a100
[32] https://www.massload.com/how-tension-load-cells-work-functionity-and-key-uses/
[33] https://tml.jp/e/product/transducers/tlp.html
[34] https://www.800loadcel.com/load-cells/loadcells.html
[35] https://www.youtube.com/watch?v=35k7d-i05r8
[36] https://www.transducertechniques.com/tll-30k-tension-load-cell.aspx
[37] https://www.flintec.com/learn/weight-sensor/load-cell/tension
[38] https://load-cells.org/gallery/
[39] https://www.youtube.com/watch?v=nh3nus6lmxk
[40] https://www.futek.com/applications/sensor/load-cell
[41] https://stock.adobe.com/search?k=%22Load+Cell%22
[42] https://www.youtube.com/watch?v=adgsuw4niqi
[43] https://www.laumas.com/en/assistance-faq/
[44] https://www.camaweigh.com/blog/post/faqs-load-cells/
[45] https://www.interfaceforce.com/load-cell-basics-technical-qa-part-two/
[46] https://www.straightpoint.com/loadcell-questions-and-answers.html
[47] https://www.force-logic.co.uk/what-is-a-load-cell/
[48] https://www.800loadcel.com/blog/10-most-common-load-cell-problems-you-cant-ignore.html
[49] https://www.omega.com/en-us/resources/load-cell-faq
[50] https://forum.arduino.cc/t/question-concerning-s-type-load-cell/396541
[51] https://tacunasystems.com/knowledge-base/load-cell-faq/
[52] https://www.ricelake.com/resources/articles/10-facts-about-load-cells/
[53] https://www.fms-technology.com/en/faq
[54] https://dfe.com/support-resources/frequent-asked-questions/
[55] https://www.transducertechniques.com/load-cell.aspx
[56] https://www.lcmsystems.com/resources/load-cells-what-is-a-load-cell
[57] https://appmeas.co.uk/products/load-cells-force-sensors/tension-load-cells/
[58] https://www.800loadcel.com/load-cells/tension-load-cells.html
[59] https://www.montalvo.com/exploring-tension-control-rechired-to-create-crenal-biber-composites/
[60] http://www.ijirst.org/articles/ijirstv3i2022.pdf
[61] https://www.interfaceforce.com/tension-load-cells-101/
[62] https://www.science.org.au/curious/technology-future/composite-materials
[63] https://dfe.com/support-resources/what-is-a-tension-load-cell/
[64] https://www.rdpe.com/ex/men-load.htm
[65] https://www.massload.com/products/load-cells/tension-links-2/
[66] https://www.hbm.com/de/8288/composepost-materials-practical-hints-for-strain-gauges/
[67] https://www.carotron.com/articles/tension-load-cells/
[68] https://www.minebea-intec.com/en/load-cells/tension-load-cells/tension-load-cell-s-type-lc-tigo
[69] https://www.fibossensor.com/what-is-ansension-load-cell-and-ow-does-it-work.html
[70] https://www.montalvo.com/load-cells-questions-answered/
[71] https://www.cmccontrols.com/pdfs/webentension_faq.pdf
[72] https://www.garbermetrology.com/blog/understanding-tension-load-cells/
[73] https://www.uscargocontrol.com/blogs/blog/how-to-select-a-load-cell
