يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية

مقالة منهجية

إنتاج جهاز قياس السلالة مع طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة

5.7K مشاهدات

⸱

DOI:

10.3791/60177

⸱

يناير 30, 2020

 ,  , 
1Department of Materials Science and Mechanical Engineering, Beijing Technology and Business University

في هذه المقالة

ملخص

يقدم هذا العمل مستشعر قياس السلالة الذي يتكون من آلية تضخيم ومجهر بوليديميثيلسيلوكسان المصنعباستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة.

الملخص

يجب كهربة مستشعر قياس السلالات التقليدي ويكون عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي. من أجل حل التقلبات في الإشارة الكهربائية التناظرية في عملية قياس سلالة التقليدية، يتم تقديم طريقة قياس سلالة جديدة هنا. ويستخدم تقنية التصوير الفوتوغرافي لعرض تغيير سلالة عن طريق تضخيم تغيير إزاحة المؤشر من الآلية. تمت إضافة عدسة بوليديميثيل سيلوكسان البصرية (PDMS) مع البعد البؤري من 7.16 ملم إلى كاميرا الهاتف الذكي لتوليد مجموعة عدسة تعمل كمجهر لالتقاط الصور. وكان له طول بؤري مكافئ قدره 5.74 ملم. Acrylonitrile butadiene الستايرين (ABS) واستخدمت مكبرات النايلون لاختبار تأثير مواد مختلفة على أداء أجهزة الاستشعار. ويستند إنتاج مكبرات الصوت وعدسة PDMS على تحسين تكنولوجيا الطباعة 3D. وقورنت البيانات التي تم الحصول عليها بالنتائج المستمدة من تحليل العناصر المحدودة للتحقق من صحتها. وكانت حساسية مكبر الصوت ABS 36.03 ± 1.34 μа/μm، وكانت حساسية مكبر النايلون 36.55 ± 0.53 μа/μm.

المقدمة

الحصول على مواد خفيفة ولكن قوية مهم بشكل خاص في الصناعة الحديثة. تتأثر خصائص المواد عند التعرض للإجهاد والضغط والالتواء واهتزاز الانحناء أثناء الاستخدام1و2. وبالتالي ، فإن قياس السلالة من المواد مهم لتحليل متانتها واستكشاف الأخطاء وإصلاحها الاستخدام. تمكن هذه القياسات المهندسين من تحليل متانة المواد واستكشاف مشاكل الإنتاج. الطريقة الأكثر شيوعا قياس سلالة في الصناعة يستخدم أجهزة استشعار سلالة3. وتستخدم على نطاق واسع أجهزة استشعار احباط التقليدية بسبب تكلفتها المنخفضة وموثوقية جيدة4. أنها تقيس التغيرات في الإشارات الكهربائية وتحويلها إلى إشارات إخراج مختلفة5،6. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تستبعد تفاصيل ملف تعريف السلالة في الجسم المقاس وهي عرضة للضوضاء من التداخل الكهرومغناطيسي الاهتزازي مع الإشارات التناظرية. تطوير دقيقة، وتكرار للغاية، وسهلة طرق قياس سلالة المواد مهم في الهندسة. وهكذا، تجري دراسة أساليب أخرى.

في السنوات الأخيرة، أثارت المواد النانوية الكثير من الاهتمام من المحققين. لقياس الضغط على الأجسام الصغيرة، اقترح أوزبورن وآخرون7،8 طريقة لقياس سلالة المواد النانوية ثلاثية الأبعاد باستخدام التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD). باستخدام الديناميات الجزيئية، حققت لينا وآخرون9 في هندسة سلالة الاحتكاك بين الطبقات من الجرافين. وقد تم توزيع قياسات سلالة الألياف البصرية باستخدام التحليل الطيفي التشتت الخلفي رايلي (RBS) على نطاق واسع في الكشف عن خطأ وتقييم الأجهزة البصرية نظرا لدقة المكانية العالية والحساسية10. صريف الألياف البصرية (FBG)11،12 تم توزيع أجهزة استشعار سلالة تستخدم على نطاق واسع لقياس سلالة عالية الدقة13 لحساسيتها لدرجة الحرارة والإجهاد. من أجل رصد التغيرات في السلالة الناجمة عن العلاج بعد حقن الراتنج ، قام Sanchez وآخرون14 بتضمين مستشعر ألياف بصرية في لوحة ألياف الكربون الايبوكسي وقياس عملية السلالة الكاملة. تباين تباين التداخل التباين (DIC) هو وسيلة قياس قوية من تشوه الحقل15،16،17 التي تستخدم على نطاق واسع وكذلك18. من خلال مقارنة التغيرات في مستويات الرمادي السطحية المقاسة في الصور التي تم جمعها ، يتم تحليل التشوه ، ويتم حساب السلالة. واقترح تشانغ وآخرون19 طريقة تعتمد على إدخال الجسيمات المقوىوصور الاستراتيجية للحد من الفقر لتتطور من DIC التقليدية. Vogel و Lee20 قيم السلالة المحسوبة باستخدام طريقة عرض اثنين تلقائية. وفي السنوات الأخيرة، مكّن ذلك من رصد الهيكل المجهري في وقت واحد وقياس السلالات في المركبات المعززة بالجسيمات. أجهزة استشعار سلالة التقليدية قياس فعال فقط سلالة في اتجاه واحد. اقترح Zymelka وآخرون21 مستشعر إجهاد مرن متعدد الاتجاهات يحسن طريقة قياس السلالة التقليدية من خلال الكشف عن التغيرات في مقاومة أجهزة الاستشعار. من الممكن أيضًا قياس السلالة باستخدام المواد البيولوجية أو الكيميائية. على سبيل المثال ، هيدروجيلس التوصيل الأيوني ة هي بديل فعال لاستشعار السلالة / اللمس بسبب خصائصها الجيدة للشد والحساسية العالية22،23. الجرافين والمركبات لها خصائص ميكانيكية ممتازة وتوفير التنقل الناقل عالية جنبا إلى جنب مع piezoresistivity جيدة24،25،26. ونتيجة لذلك، وقد استخدمت على نطاق واسع أجهزة استشعار سلالة المستندة إلى الجرافين في رصد صحة الجلد الإلكترونية، والالكترونيات التي يمكن ارتداؤها، وغيرها من المجالات27،28.

في هذا العمل ، يتم تقديم قياس الإجهاد المفاهيمي باستخدام مجهر البوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) ونظام التضخيم. يختلف الجهاز عن مقياس السلالة التقليدي لأنه لا يتطلب أسلاكًا أو توصيلات كهربائية. وعلاوة على ذلك، يمكن ملاحظة التشرد مباشرة. يمكن وضع آلية التضخيم في أي مكان على الجسم المختبر ، مما يزيد بشكل كبير من تكرار القياسات. في هذه الدراسة ، تم إجراء جهاز استشعار ومكبر للصوت سلالة من قبل تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد قمنا أولاً بتحسين الطابعة ثلاثية الأبعاد لزيادة كفاءتها لتلبية متطلباتنا. تم تصميم جهاز قذف كروي ليحل محل الطارد التقليدي أحادي المادة الذي يتحكم فيه برنامج التقطيع لإكمال تحويل الفوهات المعدنية والبلاستيكية. تم تغيير منصة صب المقابلة، وتم دمج جهاز استشعار الإزاحة (مكبر للصوت) وجهاز القراءة (مجهر PDMS).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

1- تجميع آلية التضخيم

  1. بناء منصة تجريبية بما في ذلك طابعة 3D محسنة ، ومؤشر قياس سلالة ، وجهاز القيادة ، وإطار الدعم ، وشريط الألومنيوم ، وعدسة PDMS ، والهاتف الذكي ، والأوزان ، ومكبر للصوت المطبوعة(الشكل التكميلي 1)، وقياس سلالة ، كما هو موضح في الشكل 1.
  2. تعيين ارتفاع كل طبقة في الطابعة في 0.05 ملم للنايلون و 0.2 ملم لABS. تعيين قطر رأس الطباعة إلى 0.2 ملم في كلتا الحالتين. ضبط درجة حرارة الفوهة إلى 220 درجة مئوية للنايلون و 100 درجة مئوية لABS. وأخيرا، تعيين سرعة الطباعة إلى 2000 ملم / دقيقة للنايلون و 3500 ملم / دقيقة لABS.
  3. ضبط اتجاه رأس البثق الكروي بحيث تواجه فوهة معدنية منصة درجة الحرارة المنخفضة وطباعة كفاف لضمان البثق العادي، كما هو مبين في الشكل 2.
  4. شنق النايلون وABS على العمود. يجب أن تدخل الواجهة الأمامية حاوية لفائف الطباعة ليتم إذابتها فوهة معدنية.

2. تجميع المجهر PDMS

  1. باستخدام التحريك المغناطيسي، مزيج السلائف PDMS وعامل المعالجة للحصول على نسبة الوزن من 10:1.
  2. ضع الخليط في المزيل لمدة 40 دقيقة لإزالة الفقاعات وصب الخليط المزيل في حاوية PDMS من رأس البثق الكروي.
  3. قم بتدوير رأس البثق الكروي والمنصة بحيث تواجه الفوهة البلاستيكية منصة درجة الحرارة العالية.
  4. تعيين زيادة فوهة البلاستيك إلى 50 ميكرولتر. ضع الطرف السفلي من جهاز ماصة 20 ملم29 بعيدا عن القالب باستخدام دوران فوهة ومحرك السائر في المحور Z.
  5. بدوره على لوحة ساخنة لتسخين منصة درجة الحرارة العالية. يتم التحكم في درجة حرارة المنصة عن طريق مقياس حرارة الأشعة تحت الحمراء غير ملامسة.
    ملاحظة: اختبرت هذه الدراسة درجات حرارة 140 درجة مئوية و160 درجة مئوية و180 درجة مئوية و200 درجة مئوية و220 درجة مئوية و240 درجة مئوية.
  6. اضغط على حاوية PDMS لطباعة عدسة PDMS.
  7. تبريد عدسة PDMS لدرجة حرارة الغرفة وإزالته مع ملاقط المطاط.
  8. حدد المعلمات الهندسية للعدسة، بما في ذلك زاوية الاتصال، ونصف قطر الانحناء، وقطر القطرة، باستخدام محلل شكل ثلاثي الأبعاد.

3. قياس سلالة لتحميل الاختبارات في مجموعات التحكم والاختبار

  1. استخدام شريط مصنوع من الألومنيوم 6063 T83 كما شعاع cantilever. يجب أن يكون طول وعرض وسماكة شعاع الكانتيليفر 380 مم × 51 مم × 3.8 مم، على التوالي. إصلاح نهاية واحدة إلى طاولة العمليات مع البراغي والمكسرات.
  2. رسم الصليب في المركز و 160 ملم من نهاية حرة من شعاع cantilever.
  3. لإزالة طبقة أكسيد على شعاع cantilever، تلميع سطحه مع الصنفرة غرامة قبل لصق. يجب أن يكون اتجاه الطحن حوالي 45 درجة من اتجاه شبكة أسلاك قياس السلالة. استخدام القطن الصوف غارقة في الأسيتون لمسح سطح شعاع cantilever وسطح عجينة قياس سلالة.
  4. قم بتوصيل جهاز القيادة ومؤشر قياس الإجهاد. تشغيل الطاقة. استخدام مقياس سلالة شنت على سطح مركز شريط الألومنيوم في نهايته الثابتة لقياس التغيرات سلالة.
  5. إصلاح الوزن القياسي إلى نهاية حرة من شعاع cantilever للسيطرة على مدخلات قوة مركزة. اقرأ البيانات باستخدام مؤشر مقياس السلالة التقليدي ة مع طريقة اتصال ربع جسر.
  6. استبدل مقياس السلالة بمضخمات ABS والنايلون في نفس الموقع.
  7. قم بتوصيل عدسة PDMS بكاميرا الهاتف الذكي باستخدام مستشعر 8 ميجابكسل على مسافة تركيز 29 مم. ضبط البعد البؤري للكاميرا حتى يتم الحصول على صورة واضحة. قراءة إزاحة المؤشر باستخدام المجهر PDMS.
  8. كرر الخطوات 3.5 و 3.6، مع تعيين التحميل إلى 1 N و 2 N و 3 N و 4 N و 5 N في كل مرة.

4- تحليل العناصر المحدودة

  1. إنشاء نماذج عناصر 3D محدودة من النايلون وABS أجزاء لقياس سلالة (انظر جدول المواد للبرامج المستخدمة). استيراد شعاع cantilever وآلية تضخيم في المكتبة المادية للبرنامج ومحاكاة مواضعها.
  2. تحليل الخصائص الميكانيكية لمؤشر آلية تضخيم تحت عمل شعاع cantilever.
  3. توليد المنسل للاستخدام في نماذج هندسية ثلاثية الأبعاد باستخدام عناصر رباعية الهيدرال مع حجم عنصر دقيق. صقل المفصلات المرنة، وخاصة المفصلات بين المؤشر والهيئات الأخرى.
    ملاحظة: كان Moduli الشباب من مرونة المستخدمة للألمنيوم والنايلون وABS 69 GPa، 2 GPa، و 2.3 GPa، على التوالي. وكانت نسب بواسون المستخدمة للألمنيوم والنايلون وABS 0.33 و 0.44 و 0.394 على التوالي.
  4. تطبيق قوة مركزة من 1 N إلى وسط الطرف الحر من شعاع cantilever. كرر مع 2 N، 3 N، 4 N، و 5 N.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

عندما زادت درجة حرارة المنصة ، انخفض قطر القطرة ونصف قطر الانحناء ، في حين زادت زاوية الاتصال(الشكل 3). ولذلك، ازداد البعد البؤري لـ PDMS. ومع ذلك ، بالنسبة لدرجات حرارة المنصة فوق 220 درجة مئوية ، لوحظ وقت علاج قصير جدًا في القطرات ، ولم تتمكن من التمدد في شكل محدب للطائرة. ويمكن أن يعزى ذلك إلى منطقة المرفقات المنخفضة عند الانضمام إلى كاميرا الهاتف الذكي. ولذلك، تم استخدام العدسات الناعمة التي تشكلت عند 220 درجة مئوية فقط كمكبرات في جميع الاختبارات. وكان البعد البؤري للعدسة PDMS 7.16 ملم ل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

تطور إزاحة الإخراج خطياً مع تركيز القوة في الطرف الحر من شعاع الكانتيليفر وكان متسقاً مع محاكاة FEA. وكانت حساسية مكبرات الصوت 36.55 ± 0.53 ميكرور/ميكرومتر للنايلون و36.03 ± 1.34 ميكرور/ميكرومتر للABS. وأكدت الحساسية المستقرة جدوى وفعالية النماذج الأولية السريعة لأجهزة الاستشعار عالية الدقة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد. وكان مكبرات الصوت حساسية عالية وكانت خالية من التداخل الكهرومغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك ، كان لديهم بنية بسيطة ، وحجم صغير ، وانخفاض الوزن. يجب تعيين مواد مختلفة بشكل مختلف في عملية الطباعة استنادًا إلى...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

ولا يعلن صاحبا البلاغ أي مصالح متضاربة.

شكر وتقدير

وقد تم دعم هذا العمل مالياً من قبل المؤسسة الوطنية الصينية للعلوم (المنحة رقم 51805009).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
ABSHengli dejian مصنعيستخدم لطباعة سلك قطره 1.75 مم لآلية تضخيم
الألومنيوم 6063 T83بار طول وعرض وسمك شعاع الكابولي هو 380 مم و 51 مم و 3.8 مم.
ANSYSANSYSANSYS 14.5
CURAUltimakerCura 3.0Slicing softare ، باستخدام عامل المعالجة ثلاثي الأبعاد المحسن
Dow CorningPDMS وعامل المعالجة يتم خلطها مع نسبة الوزن 10: 1
جهاز القيادةXinmingtianE00
طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة وملحقاتهامن صنع. تم اعتماد منصة الرفع الكروية الدوارة. تم تجهيز منصة الرفع الكروية بفوهة وماصة ، والتي يمكن تبديلها وطباعتها بحرية. باستخدام منصة الطباعة الدوارة ، يمكن التحكم في درجة حرارة المنصة بحرية.
iPhone 6MG4A2CH / Aمستشعر 8 ميجابكسل ومسافة التركيز المكافئة هي 29 مم
MageneticSCILOGEXMS-H280-Pro
نايلونHengli مصنع المنتجاتيستخدم لطباعة سلك قطره 1.75 مم لآلية تضخيم
PDMSDowCorning SYLGARDDC184بعد تسخين الخليط اللزج وتقويته ، يمكن دمجه مع جهاز تضخيم العدسة للهاتف المحمول للحصول على الصور.
محلل الشكلGltechSURFIEW 4000
SolidworksDassault SystemsSolidworks 2017مساعدة على نمذجة
مقياس الإجهاد VISHAYVishayيستخدم لقياس الإجهاد الناتج في التجربة.
مؤشر مقياس الإجهاد VISHAYاكتساب بيانات سلالة Vishay
المنتجات الكهربائية البلاستيكية Apple محرك الكهربائية البلاستيكية .

المراجع

  1. Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).
  2. Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition. Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).
  3. Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
  4. Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).
  5. Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects. Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).
  6. Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors. Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).
  7. Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88(2018).
  8. Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique. Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).
  9. Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
  10. Shingo, O. Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry. Journal of Optics Express. 24 (17), 19651(2016).
  11. Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft. Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).
  12. Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement. Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).
  13. Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).
  14. Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors. Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).
  15. Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure. Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).
  16. Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement. Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).
  17. Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing. Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).
  18. Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids. Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).
  19. Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure. Micron. , (2019).
  20. Vogel, J. H., Lee, D. An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces. Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).
  21. Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements. Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).
  22. Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors. Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).
  23. Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues. Biomaterials. 172, 30-40 (2018).
  24. Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene. Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).
  25. Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
  26. Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing. ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).
  27. Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. Graphene-based transparent strain sensor. Carbon. 51, 236-242 (2013).
  28. Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
  29. Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy. Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005(2015).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

الوسوم

PDMS ABS
إنتاج جهاز قياس السلالة مع طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة
اتصل بنا
أوصِ بها للمكتبة

الخصوصية

شروط الاستخدام

السياسات

2026 © حقوق الطبع والنشر MyJoVE Corporation. جميع الحقوق محفوظة.