Summary
Ce travail présente un capteur de mesure de contrainte composé d'un mécanisme d'amplification et d'un microscope polydiméthylsiloxane fabriqué à l'aide d'une imprimante 3D améliorée.
Abstract
Un capteur traditionnel de mesure de la souche doit être électrifié et sensible aux interférences électromagnétiques. Afin de résoudre les fluctuations du signal électrique analogique dans une opération traditionnelle de jauge de contrainte, une nouvelle méthode de mesure de contrainte est présentée ici. Il utilise une technique photographique pour afficher le changement de contrainte en amplifiant le changement du déplacement du pointeur du mécanisme. Un objectif visuel de polydiméthylsiloxane (PDMS) d'une longueur focale de 7,16 mm a été ajouté à une caméra pour smartphone afin de générer un groupe d'objectifs agissant comme un microscope pour capturer des images. Il avait une longueur focale équivalente de 5,74 mm. Styrène butadène acrylonitrile (ABS) et amplificateurs en nylon ont été utilisés pour tester l'influence de différents matériaux sur les performances du capteur. La production des amplificateurs et de l'objectif PDMS est basée sur une technologie d'impression 3D améliorée. Les données obtenues ont été comparées aux résultats de l'analyse des éléments finis (AFE) pour vérifier leur validité. La sensibilité de l'amplificateur ABS était de 36,03 à 1,34 m, et la sensibilité de l'amplificateur en nylon était de 36,55 à 0,53 m.
Introduction
L'obtention de matériaux légers mais solides est particulièrement importante dans l'industrie moderne. Les propriétés des matériaux sont affectées lorsqu'ils sont soumis au stress, à la pression, à la torsion et aux vibrations de flexion pendant l'utilisation1,2. Ainsi, la mesure de la souche des matériaux est importante pour analyser leur durabilité et leur utilisation de dépannage. Ces mesures permettent aux ingénieurs d'analyser la durabilité des matériaux et les problèmes de production de dépannage. La méthode de mesure de contrainte la plus courante dans l'industrie utilise des capteurs de contrainte3. Les capteurs de papier d'aluminium traditionnels sont largement utilisés en raison de leur faible coût et de leur bonne fiabilité4. Ils mesurent les changements dans les signaux électriques et les convertissent en différents signaux de sortie5,6. Cependant, cette méthode laisse de côté les détails du profil de la souche dans l'objet mesuré et est sensible au bruit de l'interférence électromagnétique vibratoire avec des signaux analogiques. Le développement de méthodes précises, hautement répétables et faciles de mesure de la contrainte des matériaux est important dans l'ingénierie. Ainsi, d'autres méthodes sont à l'étude.
Ces dernières années, les nanomatériaux ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des chercheurs. Pour mesurer la pression sur les petits objets, Osborn et coll.7,8 ont proposé une méthode pour mesurer la souche de nanomatériaux 3D à l'aide de rétrodiffusion électronique (EBSD). À l'aide de la dynamique moléculaire, Lina et coll.9 ont étudié l'ingénierie de la souche de frottement intercouche du graphène. Les mesures distribuées de la souche de fibre optique utilisant la spectroscopie de rétrodiffusion de Rayleigh (RBS) ont été employées couramment dans la détection de défaut et pour l'évaluation des dispositifs optiques en raison de leur résolution spatiale élevée et de sensibilité10. Grating fibre optique (FBG)11,12 capteurs de contrainte distribués ont été largement utilisés pour la mesure de la souche de haute précision13 pour leur sensibilité à la température et la souche. Afin de surveiller les changements de contrainte provoqués par le durcissement après injection de résine, Sanchez et autres14 ont incorporé un capteur de fibre optique dans une plaque de fibre de carbone d'époxy et ont mesuré le processus complet de contrainte. Le contraste différentiel d'interférence (DIC) est une méthode de mesure puissante de la déformation de champ15,16,17 qui est largement utilisée aussi bien18. En comparant les changements des niveaux gris de surface mesurés dans les images recueillies, la déformation est analysée et la souche calculée. Zhang et coll.19 ont proposé une méthode qui repose sur l'introduction de particules renforcées et d'images DIC pour évoluer à partir du DIC traditionnel. Vogel et Lee20 ont calculé les valeurs de contrainte à l'aide d'une méthode automatique à deux points de vue. Ces dernières années, cela a permis l'observation simultanée de la microstructure et la mesure des souches dans des composites renforcés de particules. Les capteurs de contrainte traditionnels ne mesurent efficacement la souche que dans une seule direction. Zymelka et coll.21 ont proposé un capteur de contrainte flexible omnidirectionnel qui améliore une méthode traditionnelle de jauge de contrainte en détectant les changements dans la résistance du capteur. Il est également possible de mesurer la souche à l'aide de substances biologiques ou chimiques. Par exemple, les hydrogels conducteurs ioniques sont une alternative efficace aux capteurs de contrainte/tactile en raison de leurs bonnes propriétés tendues et de la sensibilité élevée22,23. Le graphène et ses composites ont d'excellentes propriétés mécaniques et offrent une mobilité élevée du transporteur avec une bonne piézoresistivité24,25,26. Par conséquent, les capteurs de contrainte à base de graphène ont été largement utilisés dans la surveillance électronique de la santé de la peau, l'électronique portable, et d'autres domaines27,28.
Dans ce travail, une mesure conceptuelle de contrainte utilisant un microscope de polydimethylsiloxane (PDMS) et un système d'amplification est présentée. L'appareil est différent d'une jauge de contrainte traditionnelle parce qu'il ne nécessite pas de fils ou de connexions électriques. En outre, le déplacement peut être observé directement. Le mécanisme d'amplification peut être placé à n'importe quel endroit sur l'objet testé, ce qui augmente considérablement la répétabilité des mesures. Dans cette étude, un capteur et un amplificateur de contrainte ont été fabriqués par la technologie d'impression 3D. Nous avons d'abord amélioré l'imprimante 3D pour augmenter son efficacité pour nos besoins. Un dispositif d'extrusion sphérique a été conçu pour remplacer l'extrudeur monomatériau traditionnel contrôlé par le logiciel de tranchage pour compléter la conversion des buses métalliques et plastiques. La plate-forme de moulage correspondante a été modifiée, et le dispositif de détection de déplacement (amplificateur) et le dispositif de lecture (microscope PDMS) ont été intégrés.
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Protocol
1. Assemblage du mécanisme d'amplification
- Construire une plate-forme expérimentale comprenant une imprimante 3D améliorée, un indicateur de jauge de contrainte, un dispositif de conduite, un cadre de soutien, une barre d'aluminium, une lentille PDMS, un smartphone, des poids, un amplificateur imprimé ( Figure supplémentaire1), et une jauge de contrainte, comme le montre la figure 1.
- Fixez la hauteur de chaque couche dans l'imprimante à 0,05 mm pour le nylon et 0,2 mm pour l'ABS. Fixez le diamètre de la tête d'impression à 0,2 mm dans les deux cas. Fixer la température de la buse à 220 oC pour le nylon et à 100 oC pour l'ABS. Enfin, fixez la vitesse d'impression à 2 000 mm/min pour le nylon et à 3 500 mm/min pour l'ABS.
- Ajuster l'orientation de la tête d'extrusion sphérique de sorte que la buse métallique fait face à la plate-forme à basse température et imprime un contour pour assurer une extrusion normale, comme le montre la figure 2.
- Accrochez le nylon et l'ABS sur la colonne. L'extrémité avant doit entrer dans le récipient de bobine d'impression pour être fondue par la buse métallique.
2. Assemblage du microscope PDMS
- À l'aide d'un agitateur magnétique, mélanger le précurseur du PDMS et l'agent de durcissement pour obtenir un rapport de poids de 10:1.
- Placer le mélange dans le dégazeur pendant 40 min pour enlever les bulles et verser le mélange dégazé dans le récipient PDMS de la tête d'extrusion sphérique.
- Faites pivoter la tête d'extrusion sphérique et la plate-forme de sorte que la buse en plastique fait face à la plate-forme à haute température.
- Placez l'incrément de la buse en plastique à 50 l. Placez l'extrémité inférieure de l'appareil de pipette à 20 mm29 du moule en utilisant la rotation de la buse et le moteur stepper dans l'axe Z.
- Allumez la plaque chaude pour chauffer la plate-forme à haute température. La température de la plate-forme est contrôlée par un thermomètre à rayonnement infrarouge sans contact.
REMARQUE : Cette étude a testé des températures de 140 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC, 220 oC et 240 oC. - Pressez le récipient PDMS pour imprimer l'objectif PDMS.
- Refroidir l'objectif PDMS à température ambiante et l'enlever avec une pince à épiler en caoutchouc.
- Déterminer les paramètres géométriques de la lentille, y compris l'angle de contact, le rayon de courbure et le diamètre des gouttelettes, à l'aide d'un analyseur de forme tridimensionnel.
3. Mesure de la souche pour les tests de chargement dans les groupes de contrôle et d'essai
- Utilisez une barre en aluminium 6063 T83 comme faisceau en porte-à-faux. La longueur, la largeur et l'épaisseur du faisceau en porte-à-faux doivent être de 380 mm x 51 mm x 3,8 mm, respectivement. Fixer une extrémité à la table d'opération avec des boulons et des écrous.
- Dessinez une croix au centre et 160 mm de l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux.
- Pour enlever la couche d'oxyde sur le faisceau en porte-à-faux, polir sa surface avec du papier de verre fin avant de coller. La direction de broyage doit être d'environ 45 degrés de la direction de la grille de fil de la jauge de contrainte. Utilisez de la laine de coton imbibée d'acétone pour essuyer la surface du faisceau en porte-à-faux et la surface de la pâte de jauge de contrainte.
- Connectez le dispositif de conduite et l'indicateur de jauge de contrainte. Allumez le courant. Utilisez une jauge de contrainte montée sur la surface centrale de la barre d'aluminium à son extrémité fixe pour mesurer les changements de contrainte.
- Fixez le poids standard à l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux pour contrôler l'entrée de force concentrée. Lisez les données à l'aide d'un indicateur conventionnel de jauge de contrainte avec une méthode de connexion quart de pont.
- Remplacez la jauge de contrainte par les amplificateurs ABS et en nylon au même endroit.
- Fixez l'objectif PDMS sur la caméra du smartphone avec un capteur de 8 mégapixels à une distance de mise au point de 29 mm. Ajustez la longueur focale de la caméra jusqu'à ce qu'une image claire soit obtenue. Lisez le déplacement du pointeur à l'aide du microscope PDMS.
- Répétez les étapes 3.5 et 3.6, réglant la charge à 1 N, 2 N, 3 N, 4 N, et 5 N à chaque fois.
4. Analyse des éléments finis
- Établir des modèles d'éléments finis 3D des pièces en nylon et ABS pour la mesure de la souche (voir tableau des matériaux pour les logiciels utilisés). Importer le faisceau en porte-à-faux et le mécanisme d'amplification dans la bibliothèque matérielle du logiciel et simuler leurs positions de placement.
- Analyser les propriétés mécaniques du pointeur de mécanisme d'amplification sous l'action d'un faisceau en porte-à-faux.
- Générer des mailles pour une utilisation dans les modèles géométriques 3D en utilisant des éléments tétraèdres avec une taille d'élément fine. Affiner les charnières de flexion, en particulier la charnière entre le pointeur et les autres corps.
REMARQUE : Le moduli jeune de l'élasticité utilisé pour l'aluminium, le nylon, et l'ABS étaient 69 GPa, 2 GPa, et 2.3 GPa, respectivement. Les ratios Poisson utilisés pour l'aluminium, le nylon et l'ABS étaient respectivement de 0,33, 0,44 et 0,394. - Appliquer une force concentrée de 1 N au centre de l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux. Répéter l'opération avec 2 N, 3 N, 4 N et 5 N.
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Representative Results
Lorsque la température de la plate-forme augmentait, le diamètre de la gouttelette et le rayon de courbure diminuaient, tandis que l'angle de contact augmentait (figure 3). Par conséquent, la longueur focale du PDMS a augmenté. Cependant, pour les températures de la plate-forme au-dessus de 220 oC, un temps de durcissement très court a été observé dans les gouttelettes, et elles ne pouvaient pas s'étendre dans une forme de plan-convexe. Cela peut être attribué à la zone de faible attachement lors de l'adhérence sur un appareil photo smartphone. Par conséquent, seules les lentilles souples formées à 220 oC ont été utilisées comme grossisseurs dans tous les tests. La longueur focale de l'objectif PDMS était de 7,16 mm pour une puissance optique de 140 m-1. Le diamètre de la gouttelette était de 2,831 mm et l'angle maximal du cône était de 46,68 degrés, ce qui donnait une ouverture numérique (NA) d'environ 0,40, proche d'un grossissement de 20x. La longueur focale du groupe de lentille peut être calculée comme f1 - f2 / (f1 - f2 - s), où f1 est la longueur focale de l'objectif PDMS, f2 est la longueur focale de l'objectif de la caméra, et s est la distance entre eux. En supposant que la distance de mise au point efficace du microscope PDMS était de 5,74 mm.
L'étalonnage entre le groupe témoin et le groupe d'essai a été effectué à l'aide de la sensibilité de mesure K, exprimée sous le nom de K '/lp, où la souche est obtenue par l'indicateur de contrainte etlasortie du pointeurest la production. La figure 4A montre la comparaison de la mesure expérimentale du déplacement avec les simulations FEA pour le nylon. Les pentes expérimentales et FEA variaient de 0,027 à 0,097 (2,74 % à 9,36 %). La figure 4B montre les écarts minimaux et maximaux entre les pentes pour les ABS de 0,026 et 0,07 (3,85 % et 9,94 %). La figure 5 montre K pour le nylon et l'ABS. L'étude a révélé que lenylon K36,55 euros, 0,53 euro/ m et KABS, 36,03 euros, 1,34 euro/m.
Figure 1 : Configuration expérimentale des tests, y compris l'imprimante 3D améliorée, un indicateur de jauge de contrainte, un dispositif de conduite, un cadre de soutien, une barre d'aluminium, une lentille PDMS, un smartphone, des poids, un amplificateur imprimé et une jauge de contrainte. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 2 : Détails de l'imprimante 3D à deux phases solide-liquide. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 3 : Diamètre de gouttelette, rayon de courbure et angle de contact de la lentille PDMS à différentes températures. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 4 : Relations entre le déplacement du pointeur et les différentes forces concentrées pour le nylon et l'ABS, respectivement. Avec les mêmes paramètres de l'imprimante 3D améliorée, cinq amplificateurs en nylon (a-e) et cinq amplificateurs ABS (a-e) ont été imprimés. Le test pour chaque groupe a été répété dix fois. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
Figure 5 : Corrélation entre le déplacement et la souche pour le nylon et l'ABS. Les lettres a-e représentent les cinq échantillons pour chaque matériau. La sensibilité K du nylon et de l'ABS a été obtenue en faisant la moyenne des cinq pentes. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de ce chiffre.
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Discussion
Le déplacement de sortie a évolué linéairement avec la force concentrée à l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux et était compatible avec les simulations FEA. La sensibilité des amplificateurs était de 36,55 à 0,53 m pour le nylon et de 36,03 à 1,34 m pour l'ABS. La sensibilité stable a confirmé la faisabilité et l'efficacité du prototypage rapide des capteurs de haute précision à l'aide de l'impression 3D. Les amplificateurs avaient une sensibilité élevée et étaient exempts d'interférence électromagnétique. En outre, ils avaient une structure simple, un petit volume, et un faible poids. Différents matériaux doivent être réglés différemment dans le processus d'impression en fonction de plusieurs variables, y compris l'épaisseur de la couche, le diamètre de la buse et le taux d'alimentation. Les valeurs spécifiques doivent être combinées avec différents paramètres d'imprimante et sont déterminées après des étapes de débogage répétées. Cette méthode de fabrication flexible permet de changer le matériau et la taille instantanément en fonction des conditions de travail réelles. Cela peut augmenter les performances en ajoutant de l'isolation électrique et en la rendant à l'épreuve des explosions. Il permet la miniaturisation, la production personnalisée et l'utilisation de capteurs de déplacement de haute précision.
Pour obtenir un plan macro de 5,74 mm, le groupe d'objectifs se composait d'un objectif PDMS et d'un appareil photo pour smartphone. Les paramètres de base affectant la qualité optique de la formation de la lentille PDMS, y compris le diamètre de la surface de contact, le rayon de courbure et l'angle de contact, ont été déterminés par la température de la plate-forme de production et le volume de la solution hauteur de chute constante. La température était précisément contrôlée par une plaque chaude et des thermomètres infrarouges sans contact. Le volume de la solution était de 50 L par goutte à travers la buse en plastique. La caméra devait être essuyée avec de l'alcool pour éliminer les impuretés comme la poussière pour s'assurer que la lentille PDMS respecté étroitement pour augmenter le temps combiné et la netteté. En ajustant les paramètres des instruments et des solutions utilisées, le système peut être adapté à divers micromesures sans contact dans divers domaines.
La fabrication rapide du capteur a été réalisée en utilisant la structure à deux cavités de la tête d'extrusion sphérique et la formation d'une seule machine d'un matériau solide-liquide en deux phases. Le récipient de bobine d'impression a été employé pour introduire un fil plein, et l'amplificateur a été imprimé par la fonte chaude de la buse en métal. Le contenant PDMS était fait d'un matériau mou et contenait une solution mixte PDMS. La solution a été précisément pressée de la buse en plastique. Cette technologie peut également être appliquée à la fabrication de matériaux de microsphère structurelle dans divers domaines, y compris l'électronique, les produits biopharmaceutiques, l'énergie et les secteurs de la défense.
Ce travail a démontré un système de mesure de contrainte en temps réel avec un amplificateur, une lentille PDMS, et un smartphone qui peut remplacer la méthode complexe complexe d'essai de jauge-pont de contrainte de souche complexe. En outre, une imprimante 3D à deux phases solide-liquide avec une haute précision, un faible coût, et une production répétitive rapide est montré. Pendant l'impression solide, l'épaisseur de la couche de nylon a été fixée à 0,05 mm, la température de la buse était de 220 oC, la vitesse d'impression était de 2 000 mm/min. L'épaisseur de la couche d'ABS était de 0,2 mm, la température de la buse était de 100 oC et la vitesse d'impression était de 3 500 mm/min. Les paramètres d'impression doivent être combinés avec la vitesse de fusion des matériaux inhérents, la température et la viscoélasticité pour obtenir les meilleures performances d'impression; la précision de la couche d'imprimante, la portée d'alimentation et la vitesse d'impression doivent également être prises en considération. Pendant l'impression liquide, le PDMS devait avoir un rapport de poids de 10:1 de solution précurseur et d'agent de durcissement et la hauteur de chute suspendue a été fixée à 20 mm, qui a contrôlé le taux de moulage de la lentille pour 60 s. La plate-forme à haute température était faite de verre et sa température était contrôlée par une plaque chaude et un thermomètre à rayonnement infrarouge sans contact. Les paramètres géométriques de la lentille variaient considérablement avec les températures de surface testées (140 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC, 220 oC et 240 oC). Les propriétés optiques de la lentille PDMS moulées à 220 oC avec 50 L de solution ont produit les meilleurs résultats dans le système de mesure conçu. Il est possible de fabriquer des lentilles individualisées avec différentes propriétés optiques et tailles en ajustant le rapport de solution, le volume, la température de moulage, et la hauteur de suspension. Le large éventail d'applications liées à la déformation des microstructures qui peuvent être mesurées par cette méthode est appelé à augmenter.
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Disclosures
Les auteurs ne déclarent pas d'intérêts contradictoires.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu financièrement par la National Science Foundation of China (Grant No. 51805009).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| Aluminum 6063 T83 bar | The length, width and thickness of cantilever beam are 380 mm, 51 mm, and 3.8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing softare,using with the improved 3D printer |
| Curing agent | Dow Corning | PDMS and curing agent are mixed with the weight ratio of 10:1 | |
| Driving device | Xinmingtian | E00 | |
| Improved 3D printer and accessories | Made by myself. The rotary spherical lifting platform is adopted. The spherical lifting platform is equipped with a nozzle and a pipette, which can be switched and printed freely. With a rotary printing platform, the platform temperature can be freely controlled. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 8-megapixel sensor and the equivalent focus distance is 29mm |
| Magenetic stirrer | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | After the viscous mixture is heated and hardened, it can be combined with the lens amplification device of the mobile phone for image acquisition. |
| Shape analyzer | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Assist to modelling |
| VISHAY strain gauge | Vishay | Used to measure the strain produced in the experiment. | |
| VISHAY strain gauge indicator | Vishay | Strain data acquisition. |
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