Summary
Este trabalho apresenta um sensor de medição de cepa composto por um mecanismo de amplificação e um microscópio de polidimetilexino fabricado usando uma impressora 3D melhorada.
Abstract
Um sensor tradicional de medição de cepa precisa ser eletrificado e é suscetível a interferência eletromagnética. Para resolver as flutuações do sinal elétrico analógico em uma operação tradicional de medidor de cepa, um novo método de medição de cepa é apresentado aqui. Ele usa uma técnica fotográfica para exibir a mudança de tensão amplificando a mudança do deslocamento do ponteiro do mecanismo. Uma lente visual de polidimetilsiloxano (PDMS) com uma distância focal de 7,16 mm foi adicionada a uma câmera de smartphone para gerar um grupo de lentes agindo como um microscópio para capturar imagens. Tinha uma distância focal equivalente de 5,74 mm. Acrilonitrile butadiene estireno (ABS) e amplificadores de nylon foram usados para testar a influência de diferentes materiais no desempenho do sensor. A produção dos amplificadores e da lente PDMS é baseada na tecnologia de impressão 3D melhorada. Os dados obtidos foram comparados com os resultados da análise de elementos finitos (FEA) para verificar sua validade. A sensibilidade do amplificador ABS foi de 36,03 ± 1,34 με/μm, e a sensibilidade do amplificador de nylon foi de 36,55 ± 0,53 με/μm.
Introduction
A obtenção de materiais leves, mas fortes, é particularmente importante na indústria moderna. As propriedades dos materiais são afetadas quando submetidas ao estresse, pressão, torção e vibração de dobra durante o uso1,2. Assim, a medição da cepa dos materiais é importante para analisar sua durabilidade e uso de solução de problemas. Tais medidas permitem que os engenheiros analisem a durabilidade dos materiais e solucionam problemas de produção. O método de medição de cepa mais comum na indústria usa sensores de tensão3. Sensores tradicionais de papel alumínio são amplamente utilizados devido ao seu baixo custo e boa confiabilidade4. Eles medem as mudanças nos sinais elétricos e os convertem em diferentes sinais de saída5,6. No entanto, este método deixa de fora os detalhes do perfil de tensão no objeto medido e é suscetível ao ruído de interferência eletromagnética vibracional com sinais analógicos. Desenvolver métodos precisos, altamente repetitivos e fáceis de medição de cepa material é importante na engenharia. Assim, outros métodos estão sendo estudados.
Nos últimos anos, os nanomateriais têm atraído muito interesse dos investigadores. Para medir a tensão em objetos pequenos, Osborn et al.7,8 propôs um método para medir a cepa de nanomateriais 3D usando backscatter de elétrons (EBSD). Usando dinâmica molecular, Lina et al.9 investigaram a engenharia de tensão de atrito intercamada do grafeno. Medições distribuídas de cepa óptica usando espectroscopia de backscatter (RBS) de Rayleigh têm sido amplamente utilizadas na detecção de falhas e na avaliação de dispositivos ópticos devido à sua alta resolução espacial e sensibilidade10. A fibra óptica de grade (FBG)11,12 sensores de tensão distribuída têm sido amplamente utilizados para a medição de cepa de alta precisão13 para sua sensibilidade à temperatura e à tensão. Para monitorar as alterações de tensão causadas pela cura após a injeção de resina, Sanchez et al.14 incorporaram um sensor fibraóptica em uma placa de fibra de carbono epóxi e mediu o processo completo de tensão. O contraste de interferência diferencial (DIC) é um poderoso método de medição da deformação de campo15,16,17 que é amplamente utilizado, bem como18. Comparando as alterações dos níveis de cinza superficial medidos nas imagens coletadas, a deformação é analisada e a cepa calculada. Zhang et al.19 propuseram um método que se baseia na introdução de partículas reforçadas e imagens dic para evoluir a partir do DIC tradicional. Valores de tensão calculados vogel e Lee20 usando um método automático de duas visualizações. Nos últimos anos, isso possibilitou a observação simultânea de microestrutura e medição de cepas em compósitos reforçados com partículas. Os sensores tradicionais de tensão só medem efetivamente a tensão em uma direção. Zymelka et al.21 propuseram um sensor de tensão flexível omnidirecional que melhora um método tradicional de medidor de cepa detectando alterações na resistência do sensor. Também é possível medir a cepa usando substâncias biológicas ou químicas. Por exemplo, os hidrogéis condutores iônicos são uma alternativa eficaz aos sensores de cepa/tátil devido às suas boas propriedades de tração e alta sensibilidade22,23. O grafeno e seus compostos possuem excelentes propriedades mecânicas e proporcionam uma alta mobilidade portadora, juntamente com boa piezoresistividade24,25,26. Consequentemente, os sensores de cepa à base de grafeno têm sido amplamente utilizados no monitoramento eletrônico de saúde da pele, eletrônicos vestíveis e outros campos27,28.
Neste trabalho, é apresentada uma medição de cepa conceitual utilizando um microscópio de polidimetilsiloxano (PDMS) e um sistema de amplificação. O dispositivo é diferente de um medidor de tensão tradicional porque não requer fios ou conexões elétricas. Além disso, o deslocamento pode ser observado diretamente. O mecanismo de amplificação pode ser colocado em qualquer local do objeto testado, o que aumenta consideravelmente a repetibilidade das medidas. Neste estudo, um sensor e um amplificador de cepa foram feitos pela tecnologia de impressão 3D. Primeiro melhoramos a impressora 3D para aumentar sua eficiência para nossas necessidades. Um dispositivo de extrusão esférica foi projetado para substituir o tradicional extrusor de material único controlado pelo software de fatiamento para completar a conversão dos bicos metálicos e plásticos. A plataforma de moldagem correspondente foi alterada, e o dispositivo de detecção de deslocamento (amplificador) e o dispositivo de leitura (microscópio PDMS) foram integrados.
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Protocol
1. Montagem do mecanismo de amplificação
- Construa uma plataforma experimental, incluindo uma impressora 3D melhorada, um indicador de medidor de tensão, um dispositivo de condução, uma estrutura de suporte, uma barra de alumínio, uma lente PDMS, um smartphone, pesos, um amplificador impresso(Figura 1 Suplementar),e um medidor de tensão, como mostrado na Figura 1.
- Ajuste a altura de cada camada na impressora em 0,05 mm para nylon e 0,2 mm para ABS. Ajuste o diâmetro da cabeça de impressão para 0,2 mm em ambos os casos. Defina a temperatura do bico para 220 °C para nylon e 100 °C para ABS. Por fim, defina a velocidade de impressão para 2.000 mm/min para nylon e 3.500 mm/min para ABS.
- Ajuste a orientação da cabeça de extrusão esférica para que o bico metálico enfrente a plataforma de baixa temperatura e imprima um contorno para garantir uma extrusão normal, como mostrado na Figura 2.
- Pendure o nylon e o ABS na coluna. A extremidade dianteira deve entrar no recipiente de bobina de impressão para ser derretido pelo bico metálico.
2. Montagem do microscópio PDMS
- Usando um agitador magnético, misture o precursor do PDMS e o agente de cura para obter uma razão de peso de 10:1.
- Coloque a mistura no degasser por 40 min para remover bolhas e despeje a mistura desgasejada no recipiente PDMS da cabeça de extrusão esférica.
- Gire a cabeça de extrusão esférica e a plataforma para que o bico de plástico enfrente a plataforma de alta temperatura.
- Coloque o incremento do bocal de plástico em 50 μL. Coloque a extremidade inferior do dispositivo pipette 20 mm29 longe do molde usando a rotação do bocal e o motor passo no eixo Z.
- Ligue a placa quente para aquecer a plataforma de alta temperatura. A temperatura da plataforma é controlada por um termômetro de radiação infravermelha sem contato.
NOTA: Este estudo testou temperaturas de 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C e 240 °C. - Aperte o recipiente PDMS para imprimir a lente PDMS.
- Esfrie a lente PDMS à temperatura ambiente e remova-a com pinças de borracha.
- Determine os parâmetros geométricos da lente, incluindo o ângulo de contato, o raio de curvatura e o diâmetro da gota, usando um analisador de forma tridimensional.
3. Medição de tensão para testes de carregamento nos grupos de controle e teste
- Use uma barra feita de alumínio 6063 T83 como o feixe cantilever. O comprimento, largura e espessura do feixe cantilever devem ser de 380 mm x 51 mm x 3,8 mm, respectivamente. Fixe uma extremidade na mesa de operação com parafusos e porcas.
- Desenhe uma cruz no centro e 160 mm da extremidade livre do feixe de cantilever.
- Para remover a camada de óxido no feixe de cantilever, polir sua superfície com lixa fina antes de colar. A direção de moagem deve ser de cerca de 45° da direção da grade de arame medidor de tensão. Use lã de algodão encharcada em acetona para limpar a superfície do feixe de cantilever e a superfície da pasta medidora de tensão.
- Conecte o dispositivo de condução e o indicador medidor de tensão. Ligue a energia. Use um medidor de tensão montado na superfície central da barra de alumínio em sua extremidade fixa para medir as alterações de tensão.
- Fixar o peso padrão na extremidade livre do feixe de cantilever para controlar a entrada de força concentrada. Leia os dados usando um indicador convencional de medidor de cepa com um método de conexão de 40 centavos de ponte.
- Substitua o medidor de tensão pelos amplificadores ABS e nylon no mesmo local.
- Conecte a lente PDMS na câmera do smartphone com um sensor de 8 megapixels a uma distância de foco de 29 mm. Ajuste a distância focal da câmera até que uma imagem clara seja obtida. Leia o deslocamento do ponteiro usando o microscópio PDMS.
- Repita os passos 3.5 e 3.6, fixando a carga para 1 N, 2 N, 3 N, 4 N e 5 N cada vez.
4. Análise de elemento finita
- Estabeleça modelos de elemento finito 3D das peças de nylon e ABS para medição de cepa (consulte Tabela de Materiais para software usado). Importe o feixe de cantilever e o mecanismo de amplificação na biblioteca de materiais do software e simule suas posições de colocação.
- Analise as propriedades mecânicas do ponteiro do mecanismo de amplificação a ação de um feixe de cantilever.
- Gerar mishes para uso em modelos geométricos 3D usando elementos tetrahedrais com um tamanho de elemento fino. Refinar as dobradiças flexure, especialmente a dobradiça entre o ponteiro e os outros corpos.
NOTA: O moduli jovem de elasticidade usado para alumínio, nylon e ABS foram 69 GPa, 2 GPa e 2,3 GPa, respectivamente. As razões de Poisson utilizadas para alumínio, nylon e ABS foram de 0,33, 0,44 e 0,394, respectivamente. - Aplique uma força concentrada de 1 N para o centro da extremidade livre do feixe de cantilever. Repita com 2 N, 3 N, 4 N e 5 N.
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Representative Results
Quando a temperatura da plataforma aumentou, o diâmetro da gota e o raio da curvatura diminuíram, enquanto o ângulo de contato aumentou(Figura 3). Portanto, a distância focal do PDMS aumentou. No entanto, para temperaturas de plataforma acima de 220 °C, um tempo de cura muito curto foi observado nas gotículas, e eles não puderam se estender em uma forma de plano-convexo. Isso pode ser atribuído à área de baixo apego ao aderir a uma câmera do smartphone. Portanto, apenas lentes macias formadas a 220 °C foram utilizadas como lupas em todos os testes. A distância focal da lente PDMS foi de 7,16 mm para uma potência óptica de 140 m-1. O diâmetro da gota foi de 2.831 mm e o ângulo máximo do cone foi de 46,68°, o que rendeu uma abertura numérica (NA) de cerca de 0,40, perto de uma ampliação de 20x. A distância focal do grupo de lentes pode ser calculada como f1 × f2 / (f1 + f2 - s), onde f1 é a distância focal da lente PDMS, f2 é a distância focal da lente da câmera, e s é a distância entre eles. Assumindo s = 0, a distância efetiva de foco do microscópio PDMS foi de 5,74 mm.
A calibração entre o grupo controle e o grupo de teste foi feita utilizando-se a sensibilidade de medição K,expressa como K = ε/lp, onde ε é a cepa obtida pelo indicador de tensão eéa saída do ponteiro. A Figura 4A mostra a comparação da medição de deslocamento experimental com as simulações fea para nylon. As encostas experimentais e fea variaram de 0,027-0.097 (2,74%-9,36%). A Figura 4B apresenta as discrepâncias mínimas e máximas entre as encostas para ABS de 0,026 e 0,07 (3,85% e 9,94%). Figura 5 mostra K para nylon e ABS. O estudo constatou que onylon K= 36,55 ± 0,53 με/μm e KABS = 36,03 ± 1,34 με/μm.
Figura 1: Configuração experimental do teste, incluindo a impressora 3D melhorada, um indicador de medidor de tensão, um dispositivo de condução, uma estrutura de suporte, uma barra de alumínio, uma lente PDMS, um smartphone, pesos, um amplificador impresso e um medidor de tensão. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
Figura 2: Detalhes da impressora 3D líquido sólido de duas fases. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
Figura 3: Diâmetro da gota, raio de curvatura e ângulo de contato da lente PDMS a temperaturas diferentes. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
Figura 4: As relações entre o deslocamento do ponteiro e as diferentes forças concentradas para nylon e ABS, respectivamente. Com os mesmos parâmetros da impressora 3D melhorada, cinco amplificadores de nylon (a-e) e cinco amplificadores ABS (a-e) foram impressos. O teste para cada grupo foi repetido dez vezes. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
Figura 5: Correlação entre o deslocamento e a tensão para nylon e ABS. As letras representam as cinco amostras para cada material. A sensibilidade K de nylon e de ABS foi obtida pela média das cinco encostas. Clique aqui para ver uma versão maior deste valor.
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Discussion
O deslocamento de saída evoluiu linearmente com a força concentrada na extremidade livre do feixe de cantilever e foi consistente com as simulações da FEA. A sensibilidade dos amplificadores foi de 36,55 ± 0,53 με/μm para nylon e 36,03 ± 1,34 με/μm para ABS. A sensibilidade estável confirmou a viabilidade e a eficácia da rápida prototipagem de sensores de alta precisão usando impressão 3D. Os amplificadores tinham alta sensibilidade e estavam livres de interferência eletromagnética. Além disso, eles tinham uma estrutura simples, um pequeno volume e um baixo peso. Diferentes materiais devem ser definidos de forma diferente no processo de impressão com base em múltiplas variáveis, incluindo a espessura da camada, o diâmetro do bocal e a taxa de alimentação. Os valores específicos precisam ser combinados com diferentes parâmetros da impressora e são determinados após etapas repetidas de depuração. Este método de fabricação flexível permite alterar o material e o tamanho instantaneamente de acordo com as condições reais de trabalho. Isso pode aumentar o desempenho adicionando isolamento elétrico e tornando-o à prova de explosão. Permite a miniaturização, a produção personalizada e o uso de sensores de deslocamento de alta precisão.
Para obter uma foto macro de 5,74 mm, o grupo de lentes consistia em uma lente PDMS e uma câmera de smartphone. Os parâmetros básicos que afetam a qualidade óptica da formação da lente PDMS, incluindo o diâmetro da superfície de contato, o raio da curvatura e o ângulo de contato, foram determinados pela temperatura da plataforma de produção e pelo volume de solução para um altura constante de queda. A temperatura foi precisamente controlada por uma placa quente e termômetros infravermelhos sem contato. O volume de solução foi de 50 μL por gota através do bico de plástico. A câmera precisava ser limpa com álcool para remover impurezas como poeira para garantir que a lente PDMS adere de perto para aumentar o tempo combinado e a nitidez. Ao ajustar os parâmetros dos instrumentos e das soluções utilizadas, o sistema pode ser adaptado para várias micromedições não contatadas em diversos campos.
A rápida fabricação do sensor foi alcançada usando a estrutura de duas cavidades da cabeça de extrusão esférica e a formação de uma máquina de um material sólido-líquido de duas fases. O recipiente de bobina de impressão foi usado para introduzir um fio sólido, e o amplificador foi impresso pelo derretimento quente do bico metálico. O recipiente PDMS era feito de um material macio e continha uma solução PDMS mista. A solução foi precisamente espremida do bico de plástico. Essa tecnologia também pode ser aplicada à fabricação de materiais estruturais de microsfera em diversas áreas, incluindo eletrônicos, biofarmacêuticos, energia e setores de defesa.
Este trabalho demonstrou um sistema de medição de cepa em tempo real com um amplificador, uma lente PDMS e um smartphone que pode substituir o método tradicional de teste medidor de cepa de cepa. Além disso, mostra-se uma impressora 3D de líquido sólido de duas fases com alta precisão, baixo custo e uma rápida produção repetitiva. Durante a impressão sólida, a espessura da camada de nylon foi definida para 0,05 mm, a temperatura do bocal foi de 220 °C, a velocidade de impressão foi de 2.000 mm/min. A espessura da camada ABS foi de 0,2 mm, a temperatura do bocal era de 100 °C, e a velocidade de impressão era de 3.500 mm/min. Os parâmetros de impressão precisam ser combinados com a velocidade de fusão material inerente, temperatura e viscoelasticidade para obter o melhor desempenho de impressão; a precisão da camada da impressora, o alcance do feed e a velocidade de impressão também precisam ser considerados. Durante a impressão líquida, o PDMS precisava ter uma proporção de peso de 10:1 de solução precursora e agente de cura e a altura da queda pendurada foi fixada para 20 mm, o que controlou a taxa de moldagem da lente para 60 s. A plataforma de alta temperatura era feita de vidro e sua temperatura era controlada por uma placa quente e um termômetro de radiação infravermelho sem contato. Os parâmetros geométricos da lente variaram muito com as temperaturas da superfície testadas (140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C e 240 °C). As propriedades ópticas da lente PDMS moldadas a 220 °C com 50 μL de solução produziram os melhores resultados no sistema de medição projetado. É possível fabricar lentes individualizadas com diferentes propriedades e tamanhos ópticos, ajustando a razão de solução, o volume, a temperatura de moldagem e a altura do enforcamento. A ampla gama de aplicações relacionadas à deformação de microestruturaque podem ser medidas por esse método deve aumentar.
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Disclosures
Os autores não declaram interesses conflitantes.
Acknowledgments
Este trabalho foi apoiado financeiramente pela Fundação Nacional de Ciência da 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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