Summary
Ce travail présente une expérience de simulation virtuelle tridimensionnelle pour la déformation et la défaillance des matériaux qui fournit des processus expérimentaux visualisés. Grâce à un ensemble d’expériences, les utilisateurs peuvent se familiariser avec l’équipement et apprendre les opérations dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif.
Abstract
Ce travail présente un ensemble d’expériences virtuelles complètes pour détecter la déformation et la défaillance des matériaux. Les équipements les plus couramment utilisés dans les disciplines mécaniques et matérielles, tels qu’une machine de découpe métallographique et une machine d’essai de fluage universelle à haute température, sont intégrés dans un système basé sur le Web pour fournir différents services expérimentaux aux utilisateurs dans un environnement d’apprentissage immersif et interactif. Le protocole de ce travail est divisé en cinq sous-sections, à savoir, la préparation des matériaux, le moulage de l’échantillon, la caractérisation de l’échantillon, le chargement des échantillons, l’installation de nanopénétrateurs et les expériences SEM in situ , et ce protocole vise à fournir une opportunité aux utilisateurs concernant la reconnaissance des différents équipements et les opérations correspondantes, ainsi que l’amélioration de la sensibilisation des laboratoires, etc., en utilisant une approche de simulation virtuelle. Pour fournir une orientation claire pour l’expérience, le système met en évidence l’équipement / spécimen à utiliser à l’étape suivante et marque la voie qui mène à l’équipement avec une flèche bien visible. Pour imiter au mieux l’expérience pratique, nous avons conçu et développé une salle de laboratoire tridimensionnelle, de l’équipement, des opérations et des procédures expérimentales. En outre, le système virtuel envisage également des exercices interactifs et l’enregistrement avant d’utiliser des produits chimiques pendant l’expérience. Les opérations incorrectes sont également autorisées, ce qui entraîne un message d’avertissement informant l’utilisateur. Le système peut fournir des expériences interactives et visualisées aux utilisateurs à différents niveaux.
Introduction
La mécanique est l’une des disciplines de base de l’ingénierie, comme le montre l’accent mis sur le fondement de la mécanique mathématique et des connaissances théoriques et l’attention accordée à la culture des capacités pratiques des étudiants. Avec les progrès rapides de la science et de la technologie modernes, les nanosciences et la technologie ont eu un impact énorme sur la vie humaine et l’économie. Rita Colwell, ancienne directrice de la National Science Foundation (NSF) des États-Unis, a déclaré en 2002 que la technologie à l’échelle nanométrique aurait un impact égal à celui de la révolution industrielle1 et a noté que la nanotechnologie est véritablement un portail vers un nouveau monde2. Les propriétés mécaniques des matériaux à l’échelle nanométrique sont l’un des facteurs les plus fondamentaux et nécessaires au développement d’applications de haute technologie, telles que les nano-dispositifs 3,4,5. Le comportement mécanique des matériaux à l’échelle nanométrique et l’évolution structurelle sous contrainte sont devenus des questions importantes dans la recherche nanomécanique actuelle.
Au cours des dernières années, le développement et l’amélioration de la technologie de nanoindentation, de la technologie de microscopie électronique, de la microscopie à sonde à balayage, etc., ont fait des expériences de « mécanique in situ » une technique de test avancée importante dans la recherche en nanomécanique 6,7. De toute évidence, du point de vue de l’enseignement et de la recherche scientifique, il est nécessaire d’introduire des techniques expérimentales de pointe dans le contenu pédagogique traditionnel concernant les expériences mécaniques.
Cependant, les expériences de mécanique microscopique sont significativement différentes des expériences de mécanique de base macroscopique. D’une part, bien que les instruments et équipements pertinents aient été popularisés dans presque tous les collèges et universités, leur nombre est limité en raison du prix élevé et du coût d’entretien. À court terme, il est impossible d’acheter suffisamment d’équipement pour l’enseignement hors ligne. Même s’il existe des ressources financières, les coûts de gestion et de maintenance des expériences hors ligne sont trop élevés, car ce type d’équipement présente des caractéristiques de haute précision.
D’autre part, les expériences de mécanique in situ telles que la microscopie électronique à balayage (MEB) sont très complètes, avec des exigences opérationnelles élevées et une période expérimentale extrêmement longue 8,9. Les expériences hors ligne exigent que les élèves soient très concentrés pendant une longue période, et un mauvais fonctionnement peut endommager l’instrument. Même avec des personnes très qualifiées, une expérience réussie nécessite quelques jours, de la préparation des spécimens qualifiés au chargement des spécimens pour les expériences de mécanique in situ. Par conséquent, l’efficacité de l’enseignement expérimental hors ligne est extrêmement faible.
Pour résoudre les problèmes ci-dessus, la simulation virtuelle peut être utilisée. Le développement de l’enseignement de l’expérience de simulation virtuelle peut résoudre le goulot d’étranglement des coûts et des quantités de l’équipement expérimental de mécanique in situ et, ainsi, permettre aux étudiants d’utiliser facilement diverses pièces d’équipement avancées sans endommager les instruments de haute technologie. L’enseignement de l’expérience de simulation permet également aux étudiants d’accéder à la plate-forme d’expérience de simulation virtuelle via Internet à tout moment et n’importe où. Même pour certains instruments à faible coût, les étudiants peuvent utiliser des instruments virtuels à l’avance pour la formation et la pratique, ce qui peut améliorer l’efficacité de l’enseignement.
Compte tenu de l’accessibilité et de la disponibilité des systèmes basés sur le Web10, dans ce travail, nous présentons un système d’expérimentation de simulation virtuelle basé sur le Web qui peut fournir un ensemble d’expériences liées aux opérations fondamentales en mécanique et en matériaux, en mettant l’accent sur l’expérience de mécanique in situ .
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Protocol
Dans ce travail, les procédures de l’expérience de rupture de faisceau microcantilever avec fissures sont discutées comme suit, qui est ouverte à l’accès libre via http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Toutes les étapes sont effectuées dans le système en ligne basé sur l’approche de simulation virtuelle. L’approbation du Comité d’examen institutionnel n’était pas requise pour cette étude. Le consentement a été obtenu des étudiants volontaires qui ont participé à cette étude.
1. Accès au système et entrée dans l’interface
- Ouvrez un navigateur Web et entrez l’URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd pour accéder au système.
REMARQUE: L’URL fournie est accessible via un navigateur Web grand public sans nom d’utilisateur ni mot de passe. - Trouvez l’interface de simulation virtuelle à l’aide de la barre de défilement verticale.
Remarque : La scène virtuelle est incorporée dans le Web. - Cliquez sur l’icône Plein écran dans le coin inférieur droit pour activer une interface plein écran .
- Cliquez sur le bouton Démarrer l’expérience pour commencer.
- Cliquez sur le bouton Entrée pour suivre les instructions pour les débutants, ou cliquez sur le bouton Ignorer pour ignorer cette étape.
REMARQUE: L’utilisateur peut choisir de suivre (bouton Entrée ) ou ignorer (bouton Ignorer ). Le guide pour les débutants fournit des descriptions de l’ensemble du système. L’interface met également en évidence les instructions d’utilisation étape par étape pour effectuer les opérations ou l’équipement prévus. La figure 1 montre l’équipement utilisé dans l’expérience, y compris sept types d’équipements dans les disciplines mécanique et matérielle. Il est recommandé aux débutants de suivre ces conseils.
2. Préparation du matériel
- Commencez l’expérience après avoir terminé la formation de niveau débutant. Suivez les instructions de l’interface pour vous rapprocher de la table de laboratoire qui contient les plaquettes de silicium, passez en revue les différences entre les plaquettes de silicium de type normal et de type fissure et sélectionnez le modèle de fissure.
REMARQUE : Entrez dans l’interface d’expérience et effectuez des expériences conformément au guide de voie mis en surbrillance. Les conseils mis en évidence sont fournis tout au long du processus afin d’offrir des orientations claires pour l’expérimentation. - Sélectionnez un matériau dans la liste des matériaux fournis.
REMARQUE: La liste des matériaux fournie comprend l’or, l’argent, le PtCuNiP, le ZrTiCuNiBe, le polyéther-éther-cétone (PEEK) et le polyméthacrylate de méthyle (PMMA). - Chargez le matériau sélectionné sur la pince de coupe en cliquant sur le matériau en surbrillance. Cliquez sur le bouton ON/OFF en surbrillance (sur le côté droit) pour activer la pince de coupe, cliquez sur le bouton Vitesse (sur le côté gauche) et définissez la vitesse de la machine de découpe métallographique dans une interface pop-up.
REMARQUE: L’utilisateur peut définir une vitesse appropriée comme il le souhaite. Une fois la vitesse définie par l’utilisateur, la pince de coupe sera activée et la barre brute sera coupée en fines tranches. - Empilez le moule, la feuille de métal et la feuille de couverture ensemble à tour de rôle en cliquant et en faisant glisser l’objet en surbrillance comme indiqué dans l’interface utilisateur.
REMARQUE: Après avoir coupé le matériau, cette étape d’assemblage est nécessaire avant le moulage nano-moule.
3. Moulage de l’échantillon
- Marchez virtuellement jusqu’à la machine d’essai de fluage universel à haute température en suivant les instructions indiquées à la figure 2 et placez virtuellement les échantillons empilés entre les pinces à plaques de la machine d’essai de fluage universelle.
REMARQUE: Après cette étape, l’ordinateur virtuel sur le côté gauche de la machine de test de fluage universel à haute température sera mis en surbrillance. - Cliquez sur l’ordinateur virtuel et définissez le schéma de test sur l’ordinateur de contrôle de la machine de test de fluage universelle.
REMARQUE: Après cette étape, l’équipement auxiliaire de la machine d’essai de fluage universel à haute température pour le chauffage et le pompage sous vide sera mis en évidence pour guider l’utilisateur. - Cliquez sur Équipement de chauffage et de pompage sous vide en surbrillance et allumez l’alimentation. Ouvrez la pompe mécanique virtuelle et la soupape de recul dans l’interface en cliquant sur les boutons en surbrillance.
REMARQUE: Cette étape termine les réglages de contrôle du vide du système dans le système de contrôle du vide de la machine d’essai de fluage universelle. - Cliquez sur le bouton Effacer du panneau de configuration de la machine de test de fluage universelle pour effacer les données. Cliquez sur le bouton Exécuter sur le panneau de commande de la machine d’essai de fluage universelle pour terminer l’expérience, qui copie le motif sur le moule sur la tôle en utilisant la méthode de moulage par compression de plaque parallèle.
REMARQUE: Une fois le moulage terminé, retirez l’échantillon et fermez la soupape de recul et la pompe mécanique, etc., de l’équipement de chauffage et de pompage sous vide en cliquant sur les boutons à tour de rôle au besoin (dans les équipements de chauffage et de pompage sous vide réels, l’ordre inverse peut provoquer l’épuisement de la pompe moléculaire). - Cliquez à nouveau sur l’ordinateur virtuel et vérifiez les données expérimentales sur l’ordinateur de contrôle de la machine d’essai de fluage universelle.
- Ouvrez la plaque de couverture de la machine d’incrustation d’échantillons métallographiques et placez l’échantillon.
- Cliquez sur la poudre de PMMA en surbrillance pour verser la poudre préparée, et cliquez sur le moule en surbrillance pour le placer sur la poudre de PMMA.
- Cliquez sur le volant en surbrillance pour ajuster la position du moule, qui couvrira automatiquement la plaque de recouvrement. Cliquez sur le bouton ON/OFF pour allumer la machine d’incrustation. Retirer l’échantillon incrusté de PMMA après refroidissement.
NOTE: L’échantillon moulé doit être monté sur la machine d’incrustation dans le bon sens, comme indiqué à la figure 3, dans laquelle le matériau thermoplastique PMMA est utilisé dans l’expérience. Assurez-vous que la poudre de PMMA fond et adhère à la surface de l’échantillon. Le coin inférieur gauche de la figure 4 illustre la direction correcte après que l’utilisateur a confirmé la sélection illustrée à la figure 3.
- Entrez dans la pièce pour le polissage et la corrosion en suivant le guidage de la voie, comme illustré à la figure 5. Trouvez la machine de polissage en surbrillance et cliquez sur la pince de la machine à polir pour monter l’échantillon incrusté sur la pince. Réglez la vitesse de meulage et de polissage de l’échantillon pour éliminer le substrat de matériau moulé.
REMARQUE: Broyez le moule sur un côté du moule jusqu’à ce que le motif sur le moule soit exposé.
4. Caractérisation de l’échantillon
- Inscrivez-vous dans l’e-notebook avant d’utiliser un produit chimique. Ouvrez l’armoire de stockage de produits chimiques et retirez la solution solide de KOH et d’acétone. Cliquez sur le bécher en surbrillance pour utiliser la solution d’acétone afin de nettoyer le spécimen. Cliquez sur un autre bécher en surbrillance et un KOH solide pour la préparation du liquide de corrosion afin de préparer une solution à 10% KOH. Cliquez sur la solution KOH en surbrillance et sur l’échantillon pour corroder l’échantillon en un échantillon métallographique.
REMARQUE: Dans cette expérience, pour éliminer le moule en silicium, une solution KOH de 6 mol/L est généralement préparée, l’échantillon est placé dans la solution de préparation, et le bécher contenant la solution de corrosion et l’échantillon est placé sur une plaque chauffante pour chauffer afin d’accélérer la vitesse de corrosion. - Nettoyez l’échantillon après avoir retiré le substrat de silicium et effectuez un test caractérisé avec l’échantillon préparé au microscope optique.
NOTE: N’oubliez pas de déterminer l’intégrité de l’échantillon après le meulage et la corrosion.
5. Chargement des échantillons et installation du nanopénétrateur
- Chargez l’échantillon sur l’étage d’échantillonnage du nanopénétrateur. Choisissez le pénétrateur à cône pour le monter sur le pilote du système de test micro et nanomécanique. Cliquez sur le lecteur en surbrillance pour le connecter au nanopénétrateur.
REMARQUE: La « goupille » doit être insérée dans l’arbre d’entraînement lors de l’installation du pénétrateur, et comme l’arbre d’entraînement est une barre mince, le verrou évite d’endommager l’arbre d’entraînement lors de la vissage du pénétrateur avec une extrémité filetée dans le lecteur.
6. Expérience SEM in situ
- Cliquez sur le bouton Évent dans le logiciel de contrôle SEM après avoir installé le pénétrateur du nanopénétrateur et chargé l’échantillon comme décrit au point 5.1.
- Ouvrez la chambre SEM après avoir rompu le vide, installez le nanopénétrateur sur l’étage d’échantillonnage MEB et connectez les fils (la Figure 6 montre un exemple de connexion de l’un des fils).
- Ouvrez le logiciel de contrôle du nanopénétreur et sélectionnez Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
REMARQUE: Le processus d’initialisation de la position de l’étage d’échantillon de nanopénétrateur doit être effectué dans l’état dans lequel la cavité SEM est ouverte pour éviter que le processus d’initialisation de l’étage d’échantillon de nanopénétrateur ne heurte le pôle de l’orifice de sortie d’électrons SEM. - Fermez la chambre SEM et cliquez sur le bouton Pompe du logiciel de contrôle SEM.
- Cliquez sur le bouton Haut ou Bas dans le logiciel de contrôle SEM pour ajuster la position de l’étage d’échantillonnage afin que l’échantillon à mesurer tombe dans le champ de vision SEM. Cliquez sur le bouton OK pour fixer la position. Cliquez sur le bouton EHT en surbrillance pour allumer le canon à électrons. Cliquez sur le bouton Caméra et passez en mode d’observation par microscopie électronique.
NOTE: Le pénétrateur du nanopénétrateur doit être contrôlé en mode observation pour s’approcher progressivement de l’échantillon à mesurer. - Cliquez sur le bouton Exécuter du logiciel de contrôle du nanopénétrateur.
NOTE: Au cours de l’expérience, il est nécessaire d’observer et d’enregistrer les caractéristiques de déformation et le processus de défaillance pendant le processus de chargement de l’échantillon et d’ouvrir les données originales de l’expérience dans la fenêtre d’analyse des données une fois l’expérience terminée pour tracer et exporter les données. - Cliquez sur le bouton Arrêter du logiciel de contrôle du nanopénétrateur pour mettre fin à l’expérience.
REMARQUE: L’expérience de simulation virtuelle se termine ici. L’utilisateur est invité à compléter l’exercice d’examen en ligne dans l’interface virtuelle après l’expérimentation.
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Representative Results
Le système fournit des directives claires pour les opérations de l’utilisateur. Tout d’abord, la formation de niveau débutant est intégrée lorsqu’un utilisateur entre dans le système. Deuxièmement, l’équipement et la salle de laboratoire à utiliser pour l’opération suivante sont mis en évidence.
Le système peut être utilisé à plusieurs fins éducatives différentes pour différents niveaux d’étudiants. Par exemple, la figure 1 comprend sept des types d’équipement les plus couramment utilisés dans les disciplines mécaniques et des matériaux, à savoir la machine de découpe métallographique, la machine d’essai de fluage universelle à haute température, la machine d’incrustation d’échantillons métallographiques, la machine de polissage, le microscope optique, le MEB et le système d’essai micro et nanomécanique. Dans les conseils pour les débutants, l’utilisateur peut en apprendre davantage sur les descriptions de tous les équipements utilisés dans l’expérience. Ensuite, tout l’équipement est utilisé un par un pour compléter l’expérience. Les étudiants peuvent choisir l’équipement pour des expériences répétitives jusqu’à ce qu’ils maîtrisent les compétences opérationnelles.
Les figures 3 et 4 démontrent également que le système peut améliorer la conception du schéma expérimental combiné aux opérations expérimentales, ce qui peut fournir une validation instantanée. Dans la figure 3, l’utilisateur doit choisir de placer l’échantillon dans la bonne direction pour créer un échantillon moulé. La figure 4 montre l’interface d’utilisation de la machine d’incrustation d’échantillons métallographiques, qui montre également les résultats (comme indiqué dans le coin inférieur gauche de la figure 4) de l’étape précédente après confirmation par l’utilisateur de la sélection, comme illustré à la figure 3. La figure 7 illustre les résultats expérimentaux de mécanique in situ de la poutre micro-cantilever avec fissures prédéfinies. Grâce à l’analyse des résultats, l’utilisateur peut déterminer comment les résultats ont été obtenus.
Ce protocole simule le scénario dans lequel les étudiants doivent évaluer la taille de la charge et le temps de chargement de l’expérience rhéologique de la plaque parallèle en fonction du rapport longueur/diamètre de l’échantillon à préparer. L’expérimentateur doit analyser la relation entre le rapport longueur/diamètre du fluide visqueux s’écoulant dans un moule à trou cylindrique, la pression p 0 et le temps t avec un diamètre de d sous l’action d’une pression constante p 0. Cette relation est illustrée ci-dessous :
où L est la longueur, d est le diamètre du moule à trous cylindriques, p0 est la pression constante, η est la viscosité du matériau et t est le temps de chargement. Une fois que p0, η et L/d sont donnés, t peut être calculé. Si L/d double, le temps de chargement sera quatre fois plus long qu’auparavant. La figure 8 illustre la relation entre le rapport longueur/diamètre du verre métallique qui s’écoule dans le trou du moule et le temps.
Dans des expériences réelles, il a été constaté que les étudiants utilisaient souvent une approche par essais et erreurs, c’est-à-dire ajustant constamment la taille de la charge ou la durée de chargement jusqu’à ce que l’échantillon requis soit finalement effectué. Dans ce protocole, une interface interactive est fournie pour valider les connaissances théoriques, et le temps de chargement est déterminé en fonction des valeurs de paramètres fournies (viscosité du matériau, taille initiale de l’échantillon et taille de la charge). Une question directrice est fournie comme suit: « Le verre métallique est un fluide newtonien dont la viscosité est de η = 107 Pa·s à la température expérimentale de coulée sous pression. Le fluide n’a pas de glissement à la limite de contact du moule. Il est nécessaire de préparer un échantillon cylindrique avec un rapport longueur/diamètre de 5. Si l’expérience peut appliquer une grande quantité de pression de 100 MPa, combien de temps le temps de chargement devrait-il être? Si le rapport longueur/diamètre est multiplié par 1, combien de fois le temps de chargement augmente-t-il ? » Les étudiants doivent trouver les réponses, définir le schéma de test en conséquence, puis mener leurs expériences.
Après l’expérience, les étudiants sont invités à répondre à quelques questions de différents types, telles que des questions à remplir et des questions à choix multiples à réponse unique / à réponses multiples, qui se concentrent sur les étapes clés de l’expérience de simulation virtuelle pour améliorer leurs connaissances théoriques et leur expérimentation. Le tableau 1 présente les exemples de questions pour l’exercice d’examen en ligne après l’expérimentation. Avec des exercices intégrés, les utilisateurs peuvent systématiquement revoir l’ensemble du processus de l’expérience et relier la théorie à l’expérimentation.
L’ensemble des expériences offertes par la mise en œuvre de la simulation virtuelle proposée signifie que les expériences visualisées et interactives suivantes peuvent être fournies : 1) un environnement d’apprentissage virtuel immersif où les utilisateurs peuvent « parcourir » et comprendre la disposition des salles de laboratoire et les détails de chaque pièce d’équipement; 2) les opérations sur différentes pièces d’équipement typiques dans les disciplines mécaniques et matérielles pour maîtriser les compétences opérationnelles; 3) l’amélioration de la sensibilisation à la sécurité par le biais de mauvaises opérations et d’avertissements; 4) les expériences répétitives et les expériences à plus courte durée au lieu de la durée des expériences; 5) Suivre le protocole des laboratoires conventionnels aussi étroitement que possible afin que les utilisateurs puissent se familiariser avec les procédures et les « faire » et « ne pas faire » même dans l’environnement virtuel.
Traditionnellement, en raison de la quantité limitée d’équipement et de la profession des étudiants diplômés à des fins de recherche, les étudiants de premier cycle ont rarement la chance de mener des expériences avec de l’équipement physique. Le système de simulation virtuelle qui intègre différents types d’équipement peut aider à fournir simultanément des expériences accessibles et reproductibles pour améliorer leurs compétences en laboratoire. Après son déploiement, le système virtuel a été appliqué aux semestres d’automne des années universitaires 2020 et 2021 pour les étudiants ayant une formation en ingénierie mécanique. Le tableau 2 montre les résultats de l’expérience, qui comprennent le temps moyen d’achèvement, l’écart-type du temps d’achèvement et les scores moyens des différentes années. Le score moyen (100 au total) est calculé sur la base de l’évaluation de l’expérience (70%, évalué par le système) et du rapport de laboratoire sur le web (30%, évalué par l’enseignant). Les résultats démontrent que les étudiants peuvent, en moyenne, compléter l’expérience en ~73 min à l’aide d’un navigateur Web, ce qui est rapide et vérifie l’efficacité du système basé sur le Web basé sur l’approche de simulation virtuelle. En 2022, nous avons réalisé une étude pour démontrer l’efficacité du protocole proposé. Les élèves de deux classes ayant une formation en mécanique du génie (deux classes avec le même enseignant et les mêmes modules de classe, divisés en deux classes pour des raisons de taille de classe) ont été divisés en deux groupes (une classe pour chaque groupe). Les élèves du groupe 1 ont assisté au laboratoire physique pour apprendre les connaissances théoriques et observer les opérations de l’enseignant, tandis que les élèves du groupe 2 ont utilisé l’interface virtuelle développée sur la base du laboratoire physique (y compris la disposition et l’équipement) pour leur expérience. Le tableau 3 montre les résultats de l’examen en ligne (avec un score total de 10) pour les étudiants sans (groupe 1) et avec (groupe 2) l’expérience d’interface virtuelle. On peut conclure que les étudiants avec l’expérience de l’interface virtuelle ont mieux réussi que ceux sans l’expérience.
Figure 1 : L’équipement tridimensionnel développé utilisé lors des expériences. On peut conclure que grâce à cette expérience de simulation virtuelle, l’utilisateur peut être formé pour se familiariser avec les équipements les plus couramment utilisés dans les disciplines mécaniques et des matériaux. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Machine d’essai de fluage universelle à haute température mise en évidence dans la salle du laboratoire de simulation virtuel. Après avoir terminé l’étape précédente (découpe de l’échantillon), l’étape suivante est générée automatiquement, qui met en évidence la machine (lorsque la machine est à proximité) ou le chemin menant à la machine (lorsque la machine n’est pas à proximité). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Interface permettant de choisir le sens de placement de l’échantillon. L’utilisateur doit choisir la direction de placement correcte de l’échantillon pour passer à l’étape suivante. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Interface d’utilisation de la machine d’incrustation d’échantillons métallographiques. Les résultats de l’étape précédente après que l’utilisateur a confirmé la sélection (dans la figure 3) sont affichés dans le coin inférieur gauche. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 5 : L’interface avec un guidage de chemin en surbrillance. L’utilisateur est guidé pour entrer dans une pièce pour le polissage et la corrosion de l’échantillon. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 6 : Câblage de la machine SEM. L’utilisateur doit connecter les fils pour poursuivre l’expérience. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 7 : Résultats du processus expérimental de mécanique in situ de la poutre micro-cantilever avec fissures prédéfinies. Les deux courbes montrent un exemple des résultats expérimentaux de la mécanique in situ d’une poutre micro-cantilever avec des fissures prédéfinies. (A) Courbe temps-déplacement, (B) courbe contrainte-déformation. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 8 : Calcul basé sur les connaissances théoriques. La relation entre le rapport longueur/diamètre du verre métallique qui s’écoule dans le trou du moule et le temps. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 9 : L’avertissement indique qu’une opération incorrecte a endommagé la portée. Les utilisateurs peuvent cliquer sur le bouton pour monter / descendre le détecteur SEM. Cependant, s’ils montent trop de niveau, le détecteur SEM sera endommagé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 10 : Le cahier électronique pour l’enregistrement en ligne avant l’utilisation d’un produit chimique. Avant le processus de corrosion, l’utilisateur doit l’enregistrer dans l’ordinateur portable, qui est le même que la procédure dans le laboratoire physique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| ID | Type de question d’examen | Détails de la question | Offrez des choix |
| 1 | Remplir la question vide | Dans cette expérience, une solution __ a été utilisée pour corroder la plaquette de silicium. | Aucun |
| 2 | QCM à réponse unique | Lorsque la machine d’essai de fluage universelle à haute température est utilisée pour l’expérience, lequel des matériaux suivants peut être considéré comme fluide newtonien? | Un. Métal conventionnel |
| B. Alliage amorphe | |||
| 3 | QCM à réponse unique | Si l’on estime qu’un échantillon résiste à la force maximale de 60 mN, choisissez InForce 50 ou InForce 1000 dans la sélection de la plage ? | Un. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | QCM multi-réponses | Nanoindenter peut être utilisé pour mesurer? | Un. Dureté |
| B. Module d’élasticité | |||
| C. Ténacité à la rupture | |||
| D. Viscoélasticité | |||
| 5 | QCM à réponse unique | SEM est l’abréviation de | Un. Microscope optique |
| B. Microscopie électronique à balayage | |||
| C. Microscopie électronique à transmission |
Tableau 1 : Exemples de questions pour l’exercice d’examen en ligne après l’expérimentation. Les utilisateurs doivent répondre à différents types de questions afin de pouvoir examiner systématiquement l’ensemble du processus de l’expérience et relier la théorie à l’expérimentation.
| Année | Nombre d’étudiants | Temps moyen d’exécution | Écart type du délai de traitement | Note moyenne |
| 2021 | 58 | 71 min et 46 s | 11 min et 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min et 3 s | 11 min et 15,4 s | 80.21 |
Tableau 2 : Résultats des expériences menées au cours de différentes années. Les étudiants ayant une formation en génie mécanique ont terminé les expériences au cours de deux années universitaires différentes.
| ID de groupe | Nombre d’étudiants | Note moyenne | Écart-type du score |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tableau 3 : Les résultats de l’examen en ligne (avec un score total de 10) pour les étudiants sans (groupe 1) et avec (groupe 2) l’expérience d’interface virtuelle. Les étudiants ayant une formation en génie mécanique ont été divisés en deux groupes en 2022 pour démontrer l’efficacité du protocole.
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Discussion
L’un des avantages des expériences de simulation virtuelle est qu’elles permettent aux utilisateurs de mener les expériences sans craindre d’endommager le système physique ou de se blessereux-mêmes 11. Ainsi, les utilisateurs peuvent effectuer toutes les opérations, y compris les opérations correctes ou incorrectes. Cependant, le système envoie à l’utilisateur un message d’avertissement intégré à l’expérience interactive pour le guider dans la conduite correcte des expériences lorsqu’une opération incorrecte est effectuée. De cette façon, les utilisateurs peuvent apprendre les opérations correctes. Par exemple, lorsqu’un utilisateur effectue des opérations sur le SEM, comme illustré à la figure 9, il peut trop augmenter le niveau du détecteur SEM et l’endommager par accident.
À l’instar des expériences pratiques dans les laboratoires physiques, les utilisateurs qui mènent des expériences virtuelles doivent également suivre des procédures correctes, ce qui peut potentiellement améliorer leur expérimentation et leur sensibilisation à la sécurité. Par exemple, comme l’illustre la figure 10, lors de la préparation d’une solution KOH pour le processus de corrosion de l’échantillon dans un échantillon métallographique, l’utilisateur doit s’enregistrer dans un cahier avant d’utiliser le produit chimique.
Bien que ce système fournisse un environnement virtuel complexe et complet pour l’expérimentation de la déformation matérielle et de la défaillance, la principale limitation est qu’il manque actuellement de personnalisations utilisateur. Les utilisateurs suivent les étapes pour mener des expériences, et ils ont rarement l’occasion de mettre en œuvre leurs idées. Cependant, le système peut être amélioré pour donner aux étudiants plus de liberté pour mettre en œuvre leurs idées et créer leurs propres conceptions et implémentations.
La simulation virtuelle tridimensionnelle a été un sujet important dans le monde entier au cours de la dernière décennie en termes de fourniture d’interfaces immersives pour l’engagement et l’apprentissage12,13. Des études concernant la simulation virtuelle ont été menées dans diverses disciplines, telles que l’ingénierie de contrôle14 pour les considérations de sécurité 15 et le génie chimique pour la pratique de production16. Dans la discipline des matériaux et de la mécanique, le système peut être utilisé pour la formation des étudiants concernant les protocoles expérimentaux, l’utilisation de l’équipement et la vérification des connaissances théoriques. En ce qui concerne les méthodes existantes, l’approche de simulation virtuelle proposée est accessible aux utilisateurs à tout moment et de n’importe où, à condition qu’Internet et un navigateur Web soient disponibles, ce qui signifie que cette approche est rentable et très efficace. En fournissant sept types différents d’équipement coûteux, le système en ligne permet aux utilisateurs d’améliorer à plusieurs reprises leurs opérations et leurs compétences de laboratoire dans ce système en ligne unique.
Le système peut être utilisé en combinaison avec l’enseignement et l’apprentissage traditionnels dans les applications futures de la technique. Par exemple, le système pourrait être combiné avec des expériences pratiques. Les étudiants pourraient mener des expériences de simulation virtuelles avant de mener des expériences pratiques dans des laboratoires conventionnels. Par rapport aux méthodes conventionnelles, le système est interactif et immersif. Outre les avantages offerts par l’enseignement traditionnel, l’enseignement expérimental virtuel basé sur la simulation offre une gamme complète de fonctions auxiliaires, qui peuvent exercer la capacité des élèves à utiliser les connaissances qu’ils ont apprises pour résoudre des problèmes pratiques. En outre, ce type d’enseignement cultive également les intérêts de recherche et le sens de l’innovation des étudiants en les formant à maîtriser les techniques, les méthodes et les principes de test des expériences mécaniques avancées à l’échelle micro et nanométrique et aide efficacement les étudiants à améliorer leurs qualités professionnelles et complètes.
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Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
Ce travail a été soutenu en partie par les Fonds de recherche fondamentale pour les universités centrales sous la subvention 2042022kf1059; la Fondation des sciences de la nature de la province du Hubei dans le cadre de la subvention 2022CFB757; la Fondation chinoise pour les sciences postdoctorales dans le cadre de la subvention 2022TQ0244; le financement du projet de technologie expérimentale de l’Université de Wuhan dans le cadre de la subvention WHU-2021-SYJS-11; les projets provinciaux d’enseignement et de recherche dans les collèges et universités de la province du Hubei en 2021 dans le cadre de la subvention 2021038; et le projet provincial de recherche en laboratoire dans les collèges et universités de la province du Hubei dans le cadre de la subvention HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
- Chong, K. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
