Summary
Este trabajo presenta un sensor de medición de tensión que consiste en un mecanismo de amplificación y un microscopio de polidimetilsiloxano fabricado con una impresora 3D mejorada.
Abstract
Un sensor de medición de tensión tradicional debe electrificarse y es susceptible a interferencias electromagnéticas. Con el fin de resolver las fluctuaciones en la señal eléctrica analógica en una operación de medidor de tensión tradicional, se presenta un nuevo método de medición de tensión aquí. Utiliza una técnica fotográfica para mostrar el cambio de tensión amplificando el cambio del desplazamiento del puntero del mecanismo. Se añadió una lente visual de polidimetilsiloxano (PDMS) con una distancia focal de 7,16 mm a una cámara de teléfono inteligente para generar un grupo de lentes que actúa como un microscopio para capturar imágenes. Tenía una distancia focal equivalente de 5,74 mm. Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y amplificadores de nylon se utilizaron para probar la influencia de diferentes materiales en el rendimiento del sensor. La producción de los amplificadores y la lente PDMS se basa en la tecnología de impresión 3D mejorada. Los datos obtenidos se compararon con los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) para verificar su validez. La sensibilidad del amplificador ABS era de 36,03 a 1,34 o/m, y la sensibilidad del amplificador de nylon era de 36,55 a 0,53 o de mm.
Introduction
La obtención de materiales ligeros pero fuertes es particularmente importante en la industria moderna. Las propiedades de los materiales se ven afectadas cuando se someten a tensión, presión, torsión y vibración de flexión durante el uso1,2. Por lo tanto, la medición de la tensión de los materiales es importante para analizar su durabilidad y solucionar problemas de uso. Estas mediciones permiten a los ingenieros analizar la durabilidad de los materiales y solucionar problemas de producción. El método de medición de deformación unitaria más común en la industria utiliza sensores de tensión3. Los sensores de lámina tradicionales son ampliamente utilizados debido a su bajo costo y buena confiabilidad4. Miden los cambios en las señales eléctricas y los convierten en diferentes señales de salida5,6. Sin embargo, este método deja fuera los detalles del perfil de tensión en el objeto medido y es susceptible al ruido de interferenciaelectromagnética vibratoria con señales analógicas. El desarrollo de métodos de medición de deformación unitaria de material precisos, altamente repetibles y fáciles es importante en la ingeniería. Por lo tanto, se están estudiando otros métodos.
En los últimos años, los nanomateriales han sustraído mucho interés por parte de los investigadores. Para medir la tensión en objetos pequeños, Osborn et al.7,8 propusieron un método para medir la tensión de nanomateriales 3D utilizando retrodispersión de electrones (EBSD). Utilizando la dinámica molecular, Lina et al.9 investigaron la ingeniería de tensión de fricción entre capas del grafeno. Las mediciones distribuidas de la tensión de fibra óptica utilizando espectroscopía de retrodispersión (RBS) de Rayleigh se han utilizado ampliamente en la detección de fallas y para la evaluación de dispositivos ópticos debido a su alta resolución espacial y sensibilidad10. Los sensores de tensión distribuidos de fibra óptica (FBG)11y12 han sido ampliamente utilizados para la medición de tensión de alta precisión13 por su sensibilidad a la temperatura y la tensión. Con el fin de monitorear los cambios de tensión causados por el curado después de la inyección de resina, Sanchez et al.14 incrustaron un sensor de fibra óptica en una placa de fibra de carbono epoxi y midieron el proceso de deformación unitaria completo. El contraste de interferencia diferencial (DIC) es un potente método de medición de la deformación de campo15,16,17 que también se utiliza ampliamente18. Al comparar los cambios de los niveles de gris de superficie medidos en las imágenes recopiladas, se analiza la deformación y se calcula la tensión. 19 propusieron un método que se basa en la introducción de partículas reforzadas e imágenes DIC para evolucionar a partir de la DIC tradicional. Vogel y Lee20 calcularon los valores de deformación unitaria utilizando un método automático de dos vistas. En los últimos años, esto permitió la observación simultánea de microestructuras y la medición de deformación unitaria en compuestos reforzados con partículas. Los sensores de tensión tradicionales solo miden eficazmente la tensión en una dirección. 21 propusieron un sensor de tensión flexible omnidireccional que mejora un método de medidor de tensión tradicional mediante la detección de cambios en la resistencia del sensor. También es posible medir la tensión utilizando sustancias biológicas o químicas. Por ejemplo, los hidrogeles conductores iónicos son una alternativa eficaz a los sensores de tensión/táctiles debido a sus buenas propiedades de tracción y alta sensibilidad22,23. El grafeno y sus compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas y proporcionan una alta movilidad portadora junto con una buena piezoresistividad24,25,26. En consecuencia, los sensores de tensión a base de grafeno se han utilizado ampliamente en el monitoreo electrónico de la salud de la piel, electrónica portátil y otros campos27,28.
En este trabajo, se presenta una medición de tensión conceptual utilizando un microscopio de polidimetilsiloxano (PDMS) y un sistema de amplificación. El dispositivo es diferente de un medidor de tensión tradicional porque no requiere cables ni conexiones eléctricas. Además, el desplazamiento se puede observar directamente. El mecanismo de amplificación se puede colocar en cualquier lugar del objeto probado, lo que aumenta considerablemente la repetibilidad de las mediciones. En este estudio, un sensor y un amplificador de tensión fueron fabricados por la tecnología de impresión 3D. Primero mejoramos la impresora 3D para aumentar su eficiencia para nuestros requisitos. Un dispositivo de extrusión esférica fue diseñado para reemplazar el extrusor tradicional de un solo material controlado por el software de corte para completar la conversión de las boquillas de metal y plástico. Se cambió la plataforma de moldeo correspondiente, y se integraron el dispositivo de sensor de desplazamiento (amplificador) y el dispositivo de lectura (microscopio PDMS).
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Protocol
1. Montaje del mecanismo de amplificación
- Construir una plataforma experimental que incluya una impresora 3D mejorada, un indicador de medidor de tensión, un dispositivo de conducción, un marco de soporte, una barra de aluminio, una lente PDMS, un teléfono inteligente, pesas, un amplificador impreso(Figura suplementaria 1),y un medidor de tensión, como se muestra en la Figura 1.
- Establezca la altura de cada capa en la impresora en 0,05 mm para nylon y 0,2 mm para ABS. Establezca el diámetro del cabezal de impresión en 0,2 mm en ambos casos. Ajuste la temperatura de la boquilla a 220 oC para nylon y 100 oC para ABS. Por último, ajuste la velocidad de impresión a 2.000 mm/min para nylon y 3.500 mm/min para ABS.
- Ajuste la orientación del cabezal de extrusión esférica para que la boquilla metálica se dirija a la plataforma de baja temperatura e imprima un contorno para garantizar una extrusión normal, como se muestra en la Figura 2.
- Cuelgue el nylon y el ABS en la columna. El extremo frontal debe entrar en el contenedor de la bobina de impresión para ser fundido por la boquilla de metal.
2. Montaje del microscopio PDMS
- Con un agitador magnético, mezcle el precursor PDMS y el agente de curado para obtener una relación de peso de 10:1.
- Coloque la mezcla en el degasser durante 40 minutos para eliminar las burbujas y vierta la mezcla desgasificada en el contenedor PDMS del cabezal de extrusión esférica.
- Gire el cabezal de extrusión esférica y la plataforma para que la boquilla de plástico se enfrente a la plataforma de alta temperatura.
- Ajuste el incremento de la boquilla de plástico a 50 l. Coloque el extremo inferior del dispositivo de pipeta a 20 mm29 del molde utilizando la rotación de la boquilla y el motor paso a paso en el eje Z.
- Encienda la placa caliente para calentar la plataforma de alta temperatura. La temperatura de la plataforma es controlada por un termómetro de radiación infrarroja sin contacto.
NOTA: Este estudio probó temperaturas de 140 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC, 220 oC y 240 oC. - Apriete el contenedor PDMS para imprimir la lente PDMS.
- Enfríe la lente PDMS a temperatura ambiente y retírela con pinzas de goma.
- Determine los parámetros geométricos de la lente, incluido el ángulo de contacto, el radio de curvatura y el diámetro de las gotas, utilizando un analizador de forma tridimensional.
3. Medición de tensión para pruebas de carga en los grupos de control y prueba
- Utilice una barra de aluminio 6063 T83 como viga en voladizo. La longitud, anchura y grosor de la viga voladizo deben ser de 380 mm x 51 mm x 3,8 mm, respectivamente. Fije un extremo a la mesa de operación con pernos y tuercas.
- Dibuja una cruz en el centro y 160 mm desde el extremo libre de la viga voladizo.
- Para eliminar la capa de óxido en la viga en voladizo, pula su superficie con papel de lija fino antes de pegarla. La dirección de molienda debe ser de unos 45o desde la dirección de la rejilla del cable del manómetro de tensión. Utilice lana de algodón empapada en acetona para limpiar la superficie de la viga en voladizo y la superficie de la pasta del medidor de tensión.
- Conecte el dispositivo de conducción y el indicador del medidor de tensión. Enciende la alimentación. Utilice un medidor de tensión montado en la superficie central de la barra de aluminio en su extremo fijo para medir los cambios de tensión.
- Fije el peso estándar al extremo libre de la viga en voladizo para controlar la entrada de fuerza concentrada. Lea los datos utilizando un indicador de medidor de tensión convencional con un método de conexión de cuarto de puente.
- Sustituya el medidor de tensión por los amplificadores ABS y nylon en la misma ubicación.
- Conecte la lente PDMS a la cámara del smartphone con un sensor de 8 megapíxeles a una distancia de enfoque de 29 mm. Ajuste la distancia focal de la cámara hasta obtener una imagen clara. Lea el desplazamiento del puntero utilizando el microscopio PDMS.
- Repita los pasos 3.5 y 3.6, estableciendo la carga en 1 N, 2 N, 3 N, 4 N y 5 N cada vez.
4. Análisis de elementos finitos
- Establecer modelos de elementos finitos 3D de las piezas de nylon y ABS para la medición de tensión (ver Tabla de Materiales para el software utilizado). Importe la viga en voladizo y el mecanismo de amplificación en la biblioteca de materiales del software y simule sus posiciones de colocación.
- Analice las propiedades mecánicas del puntero del mecanismo de amplificación bajo la acción de una viga en voladizo.
- Genere mallas para su uso en modelos geométricos 3D utilizando elementos tetraédricos con un tamaño de elemento fino. Refinar las bisagras de flexión, especialmente la bisagra entre el puntero y los otros cuerpos.
NOTA: Los módulos Young de elasticidad utilizados para aluminio, nylon y ABS fueron 69 GPa, 2 GPa y 2.3 GPa, respectivamente. Las relaciones de Poisson utilizadas para aluminio, nylon y ABS fueron 0.33, 0.44 y 0.394, respectivamente. - Aplique una fuerza concentrada de 1 N en el centro del extremo libre de la viga en voladizo. Repita con 2 N, 3 N, 4 N y 5 N.
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Representative Results
Cuando la temperatura de la plataforma aumentó, el diámetro de las gotas y el radio de curvatura disminuyeron, mientras que el ángulo de contacto aumentó(Figura 3). Por lo tanto, la distancia focal del PDMS aumentó. Sin embargo, para temperaturas de plataforma por encima de 220 oC, se observó un tiempo de curado muy corto en las gotas, y no pudieron extenderse en forma de plano-convexo. Esto se puede atribuir al área de conexión baja cuando se adhiere a una cámara de teléfono inteligente. Por lo tanto, sólo se utilizaron lentes blandas formadas a 220 oC como lupas en todas las pruebas. La distancia focal de la lente PDMS fue de 7,16 mm para una potencia óptica de 140 m-1. El diámetro de las gotas fue de 2.831 mm y el ángulo máximo del cono fue de 46,68o, lo que produjo una apertura numérica (NA) de aproximadamente 0,40, cerca de un aumento de 20x. La distancia focal del grupo de lentes se puede calcular como f1 x f2 / (f1 + f2 - s), donde f1 es la distancia focal de la lente PDMS, f2 es la distancia focal de la lente de la cámara, y s es la distancia entre ellos. Suponiendo que s - 0, la distancia de enfoque efectiva del microscopio PDMS fue de 5,74 mm.
La calibración entre el grupo de control y el grupo de prueba se realizó utilizando la sensibilidad de medición K, expresada como K á/lp, donde se produce la tensión obtenida por el indicador de deformación unitaria y la salida del puntero. La Figura 4A muestra la comparación de la medición de desplazamiento experimental con las simulaciones FEA para nylon. Las pendientes experimentales y de FEA variaron de 0,027 a 0,097 (2,74%-9,36%). La Figura 4B muestra las discrepancias mínimas y máximas entre los taludes para ABS de 0,026 y 0,07 (3,85% y 9,94%). La Figura 5 muestra K para nylon y ABS. El estudio encontró que elnylon K de 36,55 a 0,53 o 0,53 oBABS y el ABS de Ka 36,03 a 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34
Figura 1: Configuración experimental de la prueba, incluyendo la impresora 3D mejorada, un indicador de medidor de tensión, un dispositivo de conducción, un marco de soporte, una barra de aluminio, una lente PDMS, un teléfono inteligente, pesas, un amplificador impreso y un medidor de tensión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Detalles de la impresora 3D de líquido sólido y líquido en dos fases. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Diámetro de las gotas, radio de curvatura y ángulo de contacto de la lente PDMS a diferentes temperaturas. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Relaciones entre el desplazamiento del puntero y las diferentes fuerzas concentradas para nylon y ABS, respectivamente. Con los mismos parámetros de la impresora 3D mejorada, se imprimieron cinco amplificadores de nylon (a-e) y cinco amplificadores ABS (a-e). La prueba para cada grupo se repitió diez veces. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Correlación entre el desplazamiento y la cepa de nylon y ABS. Las letras a–e representan las cinco muestras para cada material. La sensibilidad K de nylon y de ABS se obtuvo promediando las cinco pendientes. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
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Discussion
El desplazamiento de salida evolucionó linealmente con la fuerza concentrada en el extremo libre de la viga voladiza y fue consistente con las simulaciones FEA. La sensibilidad de los amplificadores era de 36,55 a 0,53 o/m para el nylon y de 36,03 a 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o /m para el ABS. La sensibilidad estable confirmó la viabilidad y la eficacia de la prototipado rápida de sensores de alta precisión mediante impresión 3D. Los amplificadores tenían una alta sensibilidad y estaban libres de interferencia electromagnética. Además, tenían una estructura simple, un volumen pequeño y un peso bajo. Los diferentes materiales deben establecerse de forma diferente en el proceso de impresión en función de varias variables, incluido el grosor de la capa, el diámetro de la boquilla y la velocidad de avance. Los valores específicos deben combinarse con diferentes parámetros de impresora y se determinan después de los pasos de depuración repetidos. Este método de fabricación flexible permite cambiar el material y el tamaño al instante de acuerdo con las condiciones de trabajo reales. Esto puede aumentar el rendimiento añadiendo aislamiento eléctrico y haciéndolo a prueba de explosiones. Permite la miniaturización, la producción personalizada y el uso de sensores de desplazamiento de alta precisión.
Para obtener una toma macro de 5,74 mm, el grupo de lentes consistía en una lente PDMS y una cámara de teléfono inteligente. Los parámetros básicos que afectan a la calidad óptica de la formación de lentes PDMS, incluido el diámetro de la superficie de contacto, el radio de curvatura y el ángulo de contacto, fueron determinados por la temperatura de la plataforma de producción y el volumen de la solución para un altura de caída constante. La temperatura fue controlada con precisión por una placa caliente y termómetros infrarrojos sin contacto. El volumen de la solución fue de 50 ml por gota a través de la boquilla de plástico. La cámara necesitaba ser limpiada con alcohol para eliminar impurezas como el polvo para asegurar que la lente PDMS se adhiriera estrechamente para aumentar el tiempo combinado y la nitidez. Al ajustar los parámetros de los instrumentos y las soluciones utilizadas, el sistema se puede adaptar para varias micromedidas sin contacto en varios campos.
La rápida fabricación del sensor se logró utilizando la estructura de dos cavidades del cabezal de extrusión esférica y la formación de una máquina de un material sólido-líquido de dos fases. El contenedor de bobina de impresión se utilizó para introducir un cable sólido, y el amplificador fue impreso por fusión en caliente de la boquilla de metal. El contenedor PDMS estaba hecho de un material blando y contenía una solución de PDMS mixta. La solución fue exprimida con precisión de la boquilla de plástico. Esta tecnología también se puede aplicar a la fabricación de materiales de microesfera estructural en diversos campos, incluidos los sectores electrónico, biofarmacéutico, energético y de defensa.
Este trabajo demostró un sistema de medición de tensión en tiempo real con un amplificador, una lente PDMS y un teléfono inteligente que puede reemplazar el método de prueba de puente de calibre de tensión complejo tradicional. Además, se muestra una impresora 3D de líquido sólido-líquido bifásico con alta precisión, bajo costo y una producción repetitiva rápida. Durante la impresión sólida, el espesor de la capa de nylon se estableció en 0,05 mm, la temperatura de la boquilla fue de 220 oC, la velocidad de impresión fue de 2.000 mm/min. El espesor de la capa ABS era de 0,2 mm, la temperatura de la boquilla era de 100 oC y la velocidad de impresión era de 3.500 mm/min. Los parámetros de impresión deben combinarse con la velocidad de fusión, temperatura y viscoelasticidad inherentes del material para obtener el mejor rendimiento de impresión; la precisión de la capa de la impresora, el rango de alimentación y la velocidad de impresión también deben tenerse en cuenta. Durante la impresión líquida, el PDMS necesitaba tener una relación de peso de 10:1 de solución precursora y agente de curado y la altura de caída colgante se fijó a 20 mm, lo que controlaba la velocidad de moldeo de la lente durante 60 s. La plataforma de alta temperatura estaba hecha de vidrio y su temperatura estaba controlada por una placa caliente y un termómetro de radiación infrarroja sin contacto. Los parámetros geométricos de la lente variaron en gran medida con las temperaturas superficiales probadas (140 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC, 220 oC y 240 oC). Las propiedades ópticas de la lente PDMS moldeada a 220 oC con 50 solución produjeron los mejores resultados en el sistema de medición diseñado. Es posible fabricar lentes individualizadas con diferentes propiedades y tamaños ópticos ajustando la relación de la solución, el volumen, la temperatura de moldeo y la altura de suspensión. La amplia gama de aplicaciones relacionadas con la deformación de microestructuras que se pueden medir mediante este método está destinada a aumentar.
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Disclosures
Los autores no declaran intereses contradictorios.
Acknowledgments
Este trabajo fue apoyado financieramente por 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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