Summary
이 작품은 증폭 메커니즘과 향상된 3D 프린터를 사용하여 제조 된 폴리 디메틸 실록산 현미경으로 구성된 변형 측정 센서를 제공합니다.
Abstract
기존의 스트레인 측정 센서는 전기화되어야 하며 전자기 간섭에 취약합니다. 기존의 스트레인 게이지 작동에서 아날로그 전기 신호의 변동을 해결하기 위해 새로운 스트레인 측정 방법이 여기에 제시되어 있습니다. 그것은 메커니즘의 포인터 변위의 변화를 증폭하여 변형 변화를 표시하는 사진 기술을 사용합니다. 초점 거리가 7.16mm인 시각 다각형 실실록산(PDMS) 렌즈를 스마트폰 카메라에 추가하여 이미지를 캡처하는 현미경 역할을 하는 렌즈 그룹을 생성합니다. 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS)과 나일론 증폭기는 5.74mm의 동등한 초점 거리를 가졌고, 센서 성능에 대한 다양한 재료의 영향을 테스트하는 데 사용되었습니다. 증폭기 및 PDMS 렌즈의 생산은 향상된 3D 프린팅 기술을 기반으로 합니다. 얻어진 데이터는 유한 요소 분석(FEA)의 결과와 비교하여 그 유효성을 확인하였다. ABS 증폭기의 감도는 36.03±1.34 μθ/μm이고, 나일론 증폭기의 감도는 36.55±0.53 μθ/μm이었다.
Introduction
가볍지만 강한 재료를 얻는 것은 현대 산업에서 특히 중요합니다. 재료의 특성은 사용 중 응력, 압력, 비틀림 및 굽힘 진동을 받을 때 영향을 받습니다1,2. 따라서 재료의 변형률 측정은 내구성을 분석하고 사용 문제를 해결하는 데 중요합니다. 이러한 측정을 통해 엔지니어는 재료의 내구성을 분석하고 생산 문제를 해결할 수 있습니다. 업계에서 가장 일반적인 스트레인 측정 방법은 스트레인 센서3을사용합니다. 기존의 호일 센서는 저렴한 비용과 좋은신뢰성4 때문에 널리 사용됩니다. 그들은 전기 신호의 변화를 측정하고 다른 출력 신호5,6로변환합니다. 그러나 이 방법은 측정된 개체의 스트레인 프로파일의 세부 사항을 남기고 아날로그 신호와의 진동 전자기 간섭으로 인한 소음에 취약합니다. 엔지니어링에서는 정확하고 반복성이 뛰어나며 쉬운 재료 변형 측정 방법을 개발하는 것이 중요합니다. 따라서, 다른 방법이 연구되고있다.
최근 몇 년 동안, 나노 물질은 조사자로부터 많은 관심을 끌고있다. 작은 물체에 대한 변형을 측정하기 위해, 오스본 외7,8은 전자 백스캐터(EBSD)를 사용하여 3D 나노 물질의 변형을 측정하는 방법을 제안했다. 분자 역학을 사용하여, Lina 등9는 그래 핀의 층간 마찰 변형 공학을 조사했다. 레일리 백스캐터 분광법(RBS)을 이용한 분산 광섬유 스트레인 측정은 높은 공간 분해능 및 감도10으로인해 광학 장치의 결함 감지 및 평가에 널리 사용되어 왔다. 격자 광섬유 (FBG)11,12 분산 스트레인 센서는 온도와 변형에 대한 민감도에 대한 고정밀 스트레인 측정(13)에 널리 사용되어왔다. 수지 주입 후 경화로 인한 변형 변화를 모니터링하기 위해, 산체스 외14에 에폭시 탄소 섬유 플레이트에 광섬유 센서를 내장하고 전체 변형 공정을 측정하였다. 차동 간섭 콘트라스트(DIC)는18뿐만아니라 널리 사용되는 필드 변형15,16,17의 강력한 측정 방법이다. 수집된 이미지에서 측정된 표면 회색 레벨의 변화를 비교하여 변형이 분석되고 변형이 계산됩니다. Zhang 등19는 기존의 DIC에서 진화하기 위해 강화 입자 및 DIC 이미지의 도입에 의존하는 방법을 제안했다. Vogel 및 Lee20은 자동 투뷰 방법을 사용하여 변형률 값을 계산했습니다. 최근 몇 년 동안, 이것은 입자 강화 복합체에서 동시 미세 구조 관찰 및 변형 측정을 가능하게했습니다. 기존의 스트레인 센서는 한 방향으로만 스트레인을 효과적으로 측정합니다. Zymelka 등21은 센서 저항의 변화를 감지하여 기존의 스트레인 게이지 방법을 개선하는 전방향 유연한 스트레인 센서를 제안했습니다. 생물학적 또는 화학적 물질을 사용하여 균주를 측정할 수도 있습니다. 예를 들어, 이온 전도성 하이드로겔은 좋은 인장 특성과 고감도22,23으로인해 스트레인/촉각 센서에 대한 효과적인 대안입니다. 그래 핀과 그 복합체는 우수한 기계적 특성을 가지고 있으며 좋은 압전 저항성24,25,26과함께 높은 캐리어이동성을제공합니다. 따라서 그래핀 기반 스트레인 센서는 전자 피부 건강 모니터링, 웨어러블 전자 장치 및 기타 필드27,28에널리 사용되어 왔다.
이 작품에서는 폴리디메틸실록산(PDMS) 현미경 및 증폭 시스템을 이용한 개념적 변형 측정이 제시된다. 이 장치는 전선이나 전기 연결이 필요하지 않기 때문에 기존의 스트레인 게이지와 다릅니다. 또한 변위를 직접 관찰 할 수 있습니다. 증폭 메커니즘은 테스트된 개체의 모든 위치에 배치할 수 있어 측정의 반복성을 크게 높일 수 있습니다. 이 연구에서는 3D 프린팅 기술로 센서와 스트레인 앰프를 제작했습니다. 우리는 먼저 우리의 요구 사항에 대한 효율성을 높이기 위해 3D 프린터를 개선했다. 구형 압출 장치는 금속 및 플라스틱 노즐의 변환을 완료하기 위해 슬라이싱 소프트웨어에 의해 제어되는 기존의 단일 재료 압출기를 대체하도록 설계되었습니다. 해당 성형 플랫폼이 변경되고 변위 감지 장치(증폭기)와 판독 장치(PDMS 현미경)가 통합되었습니다.
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Protocol
1. 증폭 메커니즘의 조립
- 도 1과같이 개선된 3D 프린터, 스트레인 게이지 표시기, 구동 장치, 지지 프레임, 알루미늄 막대, PDMS 렌즈, 스마트폰, 웨이트, 인쇄 증폭기(보충도 1)및 스트레인 게이지를 포함하는 실험 플랫폼을 구성한다.
- 프린터의 각 레이어 높이를 나일론의 경우 0.05mm, ABS의 경우 0.2mm로 설정합니다. 노즐의 온도를 나일론의 경우 220°C, ABS의 경우 100°C로 설정합니다. 마지막으로, 나일론의 경우 인쇄 속도를 2,000mm/min, ABS의 경우 3,500mm/min로 설정합니다.
- 구형 압출 헤드의 방향을 조정하여 금속 노즐이 저온 플랫폼을 향하도록 하고 그림 2와같이 정상적인 압출을 보장하기 위해 윤곽을 인쇄합니다.
- 열에 나일론과 ABS를 걸어 놓습니다. 프런트 엔드는 금속 노즐에 의해 용융될 인쇄 코일 용기를 입력해야 합니다.
2. PDMS 현미경의 조립
- 자기 교반기를 사용하여 PDMS 전구체와 경화제를 혼합하여 10:1의 중량 비를 얻습니다.
- 혼합물을 40 분 동안 탈가저에 넣고 기포를 제거하고 탈기 혼합물을 구형 압출 헤드의 PDMS 용기에 부어 넣습니다.
- 플라스틱 노즐이 고온 플랫폼을 향할 수 있도록 구형 압출 헤드와 플랫폼을 회전시면 됩니다.
- 플라스틱 노즐 증분을 50 μL로 설정합니다. Z 축의 노즐 회전 및 스테퍼 모터를 사용하여 파이펫 장치의 하단을 20mm29 멀리 몰드에서 놓습니다.
- 핫 플레이트를 켜고 고온 플랫폼을 가열합니다. 플랫폼의 온도는 비접촉 적외선 방사선 온도계에 의해 제어됩니다.
참고: 이 연구는 140°C, 160°C, 180°C, 200°C, 220°C 및 240°C의 온도를 시험하였다. - PDMS 용기를 짜서 PDMS 렌즈를 인쇄합니다.
- PDMS 렌즈를 실온으로 식히고 고무 핀셋으로 제거합니다.
- 3차원 형상 분석기를 사용하여 접촉 각도, 곡률 반지름 및 액적 지름을 포함한 렌즈의 기하학적 매개변수를 결정합니다.
3. 대조군 및 테스트 그룹에서 로딩 테스트를 위한 변형률 측정
- 캔틸레버 빔으로 알루미늄 6063 T83로 만든 막대를 사용합니다. 캔틸레버 빔의 길이, 너비 및 두께는 각각 380mm x 51mm x 3.8mm여야 합니다. 볼트와 너트로 수술대에 한쪽 끝을 고정합니다.
- 캔틸레버 빔의 자유 끝에서 중앙에 십자가를 그리고 160mm를 그립니다.
- 캔틸레버 빔의 산화물 층을 제거하려면 붙여 넣기 전에 미세한 사포로 표면을 연마하십시오. 연삭 방향은 스트레인 게이지 와이어 그리드의 방향에서 약 45°여야 합니다. 아세톤에 담근 면봉을 사용하여 캔틸레버 빔의 표면과 스트레인 게이지 페이스트의 표면을 닦아냅니다.
- 구동 장치와 스트레인 게이지 표시기를 연결합니다. 전원을 켭니다. 고정 된 끝에 알루미늄 막대의 중앙 표면에 장착 된 스트레인 게이지를 사용하여 변형 변화를 측정하십시오.
- 표준 중량을 캔틸레버 빔의 자유 단부로 고정하여 집중된 힘 입력을 제어합니다. 쿼터 브리지 연결 방법을 사용하여 기존의 스트레인 게이지 표시기를 사용하여 데이터를 읽습니다.
- 스트레인 게이지를 동일한 위치에서 ABS 및 나일론 증폭기로 교체합니다.
- PDMS 렌즈를 초점 거리 29mm의 8메가픽셀 센서로 스마트폰 카메라에 부착합니다. PDMS 현미경을 사용하여 포인터의 변위를 읽습니다.
- 3.5 단계와 3.6단계를 반복하여 부하를 매번 1N, 2N, 3N, 4N 및 5N으로 설정합니다.
4. 유한 요소 분석
- 변형률 측정을 위해 나일론 및 ABS 부품의 3D 유한 요소 모델을 설정합니다(사용된 소프트웨어의 재료 표 참조). 캔틸레버 빔과 증폭 메커니즘을 소프트웨어의 재료 라이브러리로 가져오고 배치 위치를 시뮬레이션합니다.
- 캔틸레버 빔의 작용하에 증폭 메커니즘 포인터의 기계적 특성을 분석합니다.
- 미세 한 요소 크기의 적색 요소를 사용하여 3D 기하학적 모델에서 사용할 메시 생성 굴곡 힌지, 특히 포인터와 다른 바디 사이의 힌지를 구체화합니다.
참고 : 알루미늄, 나일론 및 ABS에 사용되는 탄성의 젊은 계수는 각각 69 GPa, 2 GPa 및 2.3 GPa였습니다. 알루미늄, 나일론 및 ABS에 사용되는 푸아송 비율은 각각 0.33, 0.44 및 0.394였습니다. - 캔틸레버 빔의 자유 단부 중심에 1 N의 집중된 힘을 가합니다. 2 N, 3 N, 4 N 및 5 N으로 반복합니다.
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Representative Results
플랫폼 온도가 상승하면 액적 직경과 곡률 반경이 감소한 반면 접촉각은 증가하였다(도3). 따라서 PDMS의 초점 거리가 증가했습니다. 그러나, 220 °C 이상의 플랫폼 온도의 경우, 액적에서 매우 짧은 경화 시간이 관찰되었고, 그들은 평면 볼록 한 형상으로 연장 할 수 없었다. 이는 스마트폰 카메라에 부착할 때 부착 영역이 낮기 때문일 수 있습니다. 따라서 220°C에서 형성된 소프트 렌즈만 모든 시험에서 돋보기로 사용하였다. PDMS 렌즈의 초점 거리는 140m-1의광학 전력에 대한 7.16 mm이었다. 액적 직경은 2.831mm이고 최대 원뿔 각도는 46.68°였으며, 이는 약 0.40의 수치 조리개(NA)를 20배 배율에 가깝게 산출했습니다. 렌즈 군의 초점 거리는 f1 × f2 /(f1 + f2 - s)로계산 될 수 있으며, 여기서f1은 PDMS 렌즈의 초점 거리, f2는 카메라 렌즈의 초점 거리이며, s는 그들 사이의 거리이다. s =0을 가정하면, PDMS 현미경의 유효 초점 거리는 5.74 mm였다.
대조군과 시험군 사이의 캘리브레이션은 K=θ/θlp로표현된 측정 감도 K를사용하여 수행하였으며, 여기서 θ는 스트레인 인디케이터에 의해 얻어진 스트레인이고 θ lp는 포인터의 출력이다. 그림 4A는 나일론에 대한 FEA 시뮬레이션과 실험 변위 측정의 비교를 나타낸다. 실험 및 FEA 슬로프는 0.027-0.097(2.74%-9.36%)에서 다양했습니다. 그림 4B는 ABS의 경사면 0.026과 0.07(3.85% 및 9.94%)간의 최소 및 최대 불일치를 보여줍니다. 그림 5는 나일론 및 ABS에 대한 K를 나타낸다. 이 연구는 K나일론 = 36.55 ±0.53 μθ/μm 및 KABS = 36.03±1.34 μθ/μm을 발견하였다.
그림 1: 개선된 3D 프린터, 스트레인 게이지 표시기, 구동 장치, 지지 프레임, 알루미늄 바, PDMS 렌즈, 스마트폰, 웨이트, 인쇄 증폭기 및 스트레인 게이지를 포함한 실험 테스트 설정. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: 2상 고체 액체 3D 프린터의 세부 정보입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: 다른 온도에서 PDMS 렌즈의 액적 지름, 곡률 반지름 및 접촉각. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 포인터의 변위와 나일론 및 ABS에 대한 서로 다른 집중된 힘 사이의 관계입니다. 개선된 3D 프린터와 동일한 매개 변수를 통해 5개의 나일론 증폭기(a-e)와 5개의 ABS 앰프(a-e)가 인쇄되었습니다. 각 그룹에 대한 시험을 10회 반복했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 나일론과 ABS에 대한 변위와 변형률 간의 상관관계입니다. 문자 a-e는 각 재질에 대한 다섯 개의 샘플을 나타냅니다. 나일론 및 ABS의 감도 K는 5개의 경사를 평균화하여 수득하였다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
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Discussion
출력 변위는 캔틸레버 빔의 자유 단말에 집중된 힘으로 선형적으로 진화했으며 FEA 시뮬레이션과 일치했습니다. 증폭기의 감도는 나일론의 경우 36.55±0.53 μθ/μm, ABS의 경우 36.03±1.34 μθ/μm이었다. 안정적인 감도는 3D 프린팅을 이용한 고정밀 센서의 신속한 프로토타이핑의 타당성과 효과를 확인했습니다. 증폭기는 높은 감도를 가지고 있으며 전자기 간섭이 없었습니다. 또한, 그들은 간단한 구조, 작은 볼륨, 그리고 낮은 무게를 했다. 레이어 두께, 노즐 직경 및 이송 속도를 비롯한 여러 변수에 따라 인쇄 공정에서 서로 다른 재료를 다르게 설정해야 합니다. 특정 값은 다른 프린터 매개 변수와 결합되어야 하며 반복된 디버깅 단계를 거쳐 결정됩니다. 이 유연한 제조 방법은 실제 작업 조건에 따라 재료와 크기를 즉시 변경할 수 있습니다. 이렇게 하면 전기 절연을 추가하고 방폭을 방지하여 성능을 높일 수 있습니다. 이를 통해 소형화, 맞춤형 생산 및 고정밀 변위 센서의 사용이 가능합니다.
5.74mm 매크로 샷을 얻기 위해 렌즈 그룹은 PDMS 렌즈와 스마트폰 카메라로 구성되었습니다. 접촉면 직경, 곡률 반경 및 접촉각을 포함한 PDMS 렌즈 형성의 광학 품질에 영향을 미치는 기본 파라미터는 생산 플랫폼의 온도 및 용액 부피에 의해 결정되었다. 일정한 낙하 높이. 온도는 핫 플레이트와 비접촉 적외선 온도계에 의해 정밀하게 제어되었습니다. 용액 부피는 플라스틱 노즐을 통해 낙하당 50 μL이었다. PDMS 렌즈가 결합된 시간과 선명도를 높이기 위해 먼지와 같은 불순물을 제거하기 위해 카메라를 알코올로 닦아야 했습니다. 이 시스템은 기기의 파라미터와 사용된 솔루션을 조정하여 다양한 분야의 다양한 비접촉 미세 측정에 맞게 조정할 수 있습니다.
센서의 신속한 제조는 구형 압출 헤드의 2캐비티 구조와 2상 고체-액체 재료의 1기 형성을 사용하여 달성되었습니다. 인쇄 코일 용기는 솔리드 와이어를 도입하는 데 사용되었고, 증폭기는 금속 노즐의 뜨거운 용융에 의해 인쇄되었다. PDMS 용기는 부드러운 재료로 만들어졌으며 혼합 PDMS 용액을 함유하였다. 용액은 플라스틱 노즐에서 정확하게 압착되었습니다. 이 기술은 전자, 바이오 제약, 에너지 및 방위 분야를 포함한 다양한 분야의 구조 미세구 재료 제조에도 적용될 수 있습니다.
이 작업은 증폭기, PDMS 렌즈 및 기존의 복잡한 스트레인 게이지-스트레인 게이지 브리지 테스트 방법을 대체할 수 있는 스마트폰을 갖춘 실시간 스트레인 측정 시스템을 시연했습니다. 또한, 높은 정밀도, 저렴한 비용, 신속한 반복 생산을 갖춘 2상 고체 액체 3D 프린터가 표시됩니다. 고체 인쇄 동안, 나일론 층의 두께는 0.05 mm로 설정되었고, 노즐 온도는 220 °C였고, 인쇄 속도는 2,000 mm/min이었다. ABS 층의 두께는 0.2 mm였고, 노즐 온도는 100°C였고, 인쇄 속도는 3,500 mm/min이었다. 최상의 인쇄 성능을 얻으려면 인쇄 파라미터를 고유의 재료 용융 속도, 온도 및 점탄성과 결합해야 합니다. 프린터 레이어의 정확도, 이송 범위 및 인쇄 속도도 고려해야 합니다. 액체 프린팅 동안 PDMS는 전구체 용액 및 경화제의 10:1의 중량 비를 가질 필요가 있었고, 매달려 있는 낙하 높이는 20mm로 고정되어 렌즈의 성형 속도를 60초에 제어했습니다. 고온 플랫폼은 유리로 만들어졌으며 온도는 핫 플레이트와 비접촉 적외선 방사선 온도계에 의해 제어되었습니다. 렌즈의 기하학적 파라미터는 시험된 표면 온도(140°C, 160°C, 180°C, 200°C, 220°C 및 240°C)에 따라 크게 달라지다. 220°C에서 50μL의 용액으로 성형된 PDMS 렌즈의 광학적 특성은 설계된 측정 시스템에서 최상의 결과를 낳았습니다. 용액 비율, 부피, 성형 온도 및 매달려 높이를 조정하여 다양한 광학 특성 및 크기를 가진 개별화된 렌즈를 제조할 수 있습니다. 이 방법으로 측정할 수 있는 미세 구조 변형과 관련된 광범위한 응용 분야가 증가할 수밖에 없습니다.
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Disclosures
저자는 상충하는 이해관계를 선언하지 않습니다.
Acknowledgments
이 작품은 중국 국립 과학 재단 (그랜트 번호 51805009)에 의해 재정적으로 지원되었다.
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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