Methodenartikel

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

DOI:

10.3791/51080

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3. Februar 2014

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, The George Washington University, 2Department of Mechanical and Aeronautical Engineering, Clarkson University

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Stimmfaltenpolypen können die Stimmfaltendynamik stören und somit verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch einen wandmontierten Modellpolypen induziert wird, und seine Auswirkungen auf die Wanddruckbelastung werden mittels Partikelbild-Velocimetrie, Hautreibungslinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Zusammenfassung

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Der Fluid-Struktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig untersucht, ist aber für pathologische Bedingungen nicht gut verstanden. Polypen und Knötchen, die geometrische Anomalien sind, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden, können die Stimmfaltendynamik stören und können daher verheerende Folgen für die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten haben. Unser Labor hat Partikelbild-Velocimetrie -Messungen (PIV) im Rahmen einer Untersuchung eines Modellpolypes gemeldet, der sich auf der medialen Oberfläche eines in vitro angetriebenen Stimmfaltmodells befindet, die zeigen, dass eine solche geometrische Anomalie das Glottalstrahlverhalten erheblich stört. Diese Durchflussfeldanpassung ist ein wahrscheinlicher Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen. Ein vollständigeres Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz, wie z.B. einem Stimmfaltenpolypen, und der daraus resultierende Einfluss auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um die Behandlung dieser pathologischen Erkrankung voranzutreiben. Die vorliegende Untersuchung betrifft die dreidimensionale Strömungstrennung, die durch ein wandmontiertes Prolate-Hemispheroid mit einem Seitenverhältnis von 2:1 im Querfluss, d.h. einem Modell-Vokalfaltenpolypen, mit einer Öl-Film-Visualisierungstechnik induziert wird. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und deren Auswirkungen der Wanddruckbelastung werden mittels Hautreiblinienvisualisierung und Wanddruckmessungen untersucht.

Einleitung

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Die Stimmfalten sind zwei Gewebebänder, die sich über die stimmliche Atemwege erstrecken. Stimmsprache wird erzeugt, wenn ein kritischer Lungendruck erreicht wird, der Luft durch adduktisierte Stimmfalten erzwingt. Die Stimmfalten bestehen aus vielen Gewebeschichten und werden oft durch ein vereinfachtes zweilagiges Bodycover-System1dargestellt. Die extrazelluläre Matrix, die den Großteil der Deckschicht ausmacht, besteht aus Kollagen- und Elastinfasern und bietet nichtlineare Spannungs-Dehnungseigenschaften, die für die richtige Bewegung der Stimmfalten1,2wichtig sind. Aerodynamische Kräfte vermitteln dem Gewebe der Stimmfalten Energie und regen selbstgetragene Schwingungenan 3. Während die Stimmfalten oszillieren, bildet die Öffnung zwischen ihnen, die als Glottis bezeichnet wird, eine zeitlich variierende Öffnung, die von einer konvergenten zu einer Uniform und dann zu einer divergierenden Passage übergeht, bevor sie den Zyklus4,6schließt und wiederholt. Schwingungsfrequenzen für normale Sprache erstrecken sich typischerweise über 100-220 Hz bei Männern bzw. Weibchen, wodurch ein pulsatiles Strömungsfeld entsteht, das durch die Glottis7verläuft. Der Fluidstruktur-Energieaustauschprozess für normale Sprache wurde ausgiebig8-12untersucht; jedoch ist die Störung dieses Prozesses für einige Pathologien nicht gut verstanden. Pathologische Bedingungen der Stimmfalten können zu dramatischen Veränderungen in ihrer Dynamik führen und die Fähigkeit beeinflussen, gesprochene Sprache zu erzeugen.

Polypen und Knötchen sind geometrische Anomalien, die sich auf der medialen Oberfläche der Stimmfalten bilden. Diese Anomalien können die Kommunikationsfähigkeit eines Patienten beeinträchtigen13. Dennoch wurde erst vor kurzem die Störung des Strömungsfeldes aufgrund einer geometrischen Protuberanz wie ein Polyp als14betrachtet. Diese Studie zeigte, dass der "normale" Energieaustauschprozess der Flüssigkeitsstruktur drastisch verändert wurde und dass die Veränderung des Strömungsfeldes der wahrscheinlichste Grund für den starken Abbau der Stimmqualität bei Patienten mit Polypen und Knötchen war. Es wurde kein umfassendes Verständnis der Strömungsstrukturen durch dreidimensionale Strömungstrennung von einem Polypen im pulsatilen Fluss festgestellt. Die Erzeugung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einem Polypen und deren anschließende Auswirkungen auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist eine notwendige kritische Komponente, um die chirurgische Sanierung von Polypen bei Patienten voranzutreiben.

Während die Strömungstrennung von einem wandmontierten Halbkugeloid im stetigen Fluss15-23untersucht wurde, gibt es überraschenderweise wenig Informationen über eine unbeständige dreidimensionale Strömungstrennung von einem Hemispheroid an einer Wand, die pulsatilen oder unbeständigen Strömungsbedingungen ausgesetzt ist, wie sie in der Sprache zu finden sind. Die bahnbrechende Arbeit von Acarlar und Smith15 lieferte eine Analyse der dreidimensionalen kohärenten Strukturen, die durch stetigen Fluss über ein wandmontiertes Hemispheroid innerhalb einer laminaren Grenzschicht erzeugt werden. Acarlar und Smith identifizierten zwei Arten von vortical Strukturen. Vor der halbkugelförmigen Protuberanz bildete sich ein stehender Hufeisenwirbel, der sich flussabwärts der Protuberanz auf beiden Seiten erstreckte. Zusätzlich wurden Haarnadelwirbel periodisch von der Wand montiert Hemispheroid in die Wache vergossen. Die komplexe Bewegung und das Fortschreiten der Haarnadelwirbel wurde untersucht und detailliert beschrieben.

Der Fluss über einen glatt konturierten axisymmetrischen Hügel wurde zuvor untersucht, in dem sowohl oberflächenstatische Druckmessungen als auch Oberflächenölvisualisierungen an und nach der Beule innerhalb eines turbulenten Scherflusses erfasst wurden. Ölfilmtechniken ermöglichen die Visualisierung von Hautreibungslinien, Hoch- und Niedriggeschwindigkeitsbereichen sowie Trenn- und Befestigungspunkten innerhalb eines Oberflächenflusses und sind nützlich, um die Nachfuhr eines wandmontierten Objekts zu untersuchen. Für diese Technik wird die Oberfläche von Interesse mit einem dünnen Film aus einer Ölbasis und feinem Pulverpigment(d.h. Lampenschwarz, Graphitpulver oder Titandioxid) Gemisch beschichtet. Bei den gewünschten Strömungsbedingungen führen Reibungskräfte dazu, dass sich das Öl entlang der Oberfläche bewegt, wodurch sich das Pigmentpulver in Streifen ablagert. Kritische oder Singularitätspunkte, Positionen, an denen die Scherspannung Null oder zwei oder mehr Komponenten der mittleren Geschwindigkeit null ist, können aus dem resultierenden Hautreibungslinienmuster als Sattelpunkte oder Knotenpunkte24-26klassifiziert werden.

Für die Hügelgeometrie wurde keine Durchtrennung verursachte Singularität flussaufwärts gefunden; dies wurde auf die sanft aufsteigende Kontur der Beule zurückgeführt, die nicht den negativen Druckgradienten erzeugte, der bei einer halbkugelförmigen Protuberanz auftritt. Folglich beschleunigte sich der Fluss bis zum Höhepunkt der Beule, nach der sich kurz hinter der Stoßmittellinie unbeständige Sattelfokus-Trennpunkte entwickelten, wie es bei der Bildung eines Haarnadelwirbels27,28zu erwarten wäre. In einer Studie mit ähnlichen experimentellen Techniken mit einer anderen Wandgeometrie zeigte die Ölfilm-Visualisierung um einen oberflächenmontierten Würfel im stetigen Fluss, durchgeführt von Martinuzzi und Tropea29, zwei klare Hautreibungslinien vor dem Objekt. Die erste Hautreibungslinie entsprach der primären Trennlinie, die durch den ungünstigen Druckgradienten verursacht wurde, und die zweite Reibungslinie der Haut markierte die zeitgemittelte Position des Hufeisenwirbels. Oberflächendruckmessungen, die vor dem Objekt durchgeführt wurden, zeigten ein lokales Minimum entlang der Hufeisenwirbellinie und ein lokales Druckmaximum zwischen der primären Trennung und hufeisenwirbellinien. Ähnliche vorgelagerte Trennlinien werden mit anderen oberflächenmontierten Geometrien einschließlich eines Kreisförmigen Zylinders, einer Pyramide und eines Kegels29-31gebildet. Die Oberflächenvisualisierung nach den Wandobjekten zeigt in der Regel zwei Brennpunkte an, die durch den Rezirkulationsbereich hinter dem Objekt30verursacht werden. Zwei Wirbel werden an den Brennpunkten erzeugt und entsprechen dem "Arch-Typ" oder Haarnadelwirbel, der im Gefolge eines wandmontierten Hemispheroids32zu sehen ist.

Partikelbild-Velocimetrie (PIV) wurde bisher verwendet, um den Fluss nachdemzulesen von synthetischen Stimmfaltenmodellen33-35zu untersuchen. PIV ist eine nichtinvasive Visualisierungstechnik, bei der die Bewegung von Tracer-Partikeln innerhalb einer Ebene erfasst wird, um die räumlich-zeitliche Strömungsdynamik zu erfassen36. Dreidimensionale zusammenhängende Strukturen, die sich nach den oszillierenden Stimmfalten bilden, wurden von Neubauer et al. untersucht. 37; Wirbelerzeugung und Konvektion und Jet-Schlag wurden beobachtet. Kürzlich, Krebs et al. 38 untersuchte die Dreidimensionalität des Glottalstrahls mit stereoskopischem PIV und die Ergebnisse zeigen die Glottal-Jet-Achsenschaltung. Erath und Plesniak14 untersuchten die Wirkung eines Modellstimmfaltenpolypes auf die mediale Oberfläche eines 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodells. Unterhalb des Polyp simonierte sich eine Rezirkulationsregion und die Strahldynamik wurde während des gesamten Phonationszyklus beeinflusst. Die bisherigen Studien, mit Ausnahme der getriebenen Vokalfalten-Polyp-Studie von Erath und Plesniak14, haben die Strömungsdynamik, die durch einen medialen Stimmfaltenpolyp oder Knötchen induziert wird, nicht erforscht.

Es ist wichtig, die fluiddynamische Wirkung des Modellpolypes in stetigen und pulsatilen Strömungsfeldern zu verstehen, bevor die zusätzliche Komplexität der stimmlichen Faltwände, induzierte Druckgradienten, begrenztes geometrisches Volumen und andere Feinheiten eingeschlossen werden. Die aktuelle Arbeit konzentriert sich auf die Signatur der Strömungsstrukturen an der nachgelagerten Wand unter stabilen und unbeständigen Strömungsbedingungen. Die Wechselwirkungen zwischen den vorticalen Strukturen, die aus einem Vorsprung und der nachgeschalteten Wand vergossen werden, sind von großem Interesse für die Untersuchung von Stimmfaltenpolypen sowie anderen biologischen Überlegungen, da diese Wechselwirkungen eine biologische Reaktion auslösen.

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Protokoll

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In dieser Arbeit wird auf dem Prüfabschnittsboden eines Saugwindkanals mit einem Kontraktionsverhältnis von 5:1 ein an der Wand montiertes Halbkugelideroid, d.h. ein Modell-Stimmfaltenpolyp, positioniert. Die unbeständige, dreidimensionale Strömungstrennung und ihre Wirkung auf die Wanddruckbelastung werden mittels Ölflussvisualisierung, Wanddruckmessungen und Partikelbild-Velocimetrie untersucht. Die unbeständigen Druckmessungen werden mit einem 16-Kanal-Scandruckwandler mit piezoresistiven Drucksensoren erfasst. Die Drucksensoren haben einen Frequenzgang von 670 Hz. Statische Druckhähne aus Edelstahlrohren werden bündig vor und nach dem Modell Stimmfaltenpolypen montiert, um die Oberflächendruckmessungen zu erleichtern und kurz auf das Scandruckgerät zu plump. Ölflussvisualisierung und Oberflächendruckmessungen können nicht gleichzeitig erfasst werden, da Öl in die Druckhähne fließen würde, was zu Verschmutzungen führen würde.

Der folgende Abschnitt enthält das Protokoll zum Einrichten und Erfassen von Ölfilm-Visualisierungen und Oberflächendruckmessungen um ein an der Wand montiertes Prolate-Halbhautoid. Obwohl phasengemittelte und zeitaufgelöste Partikelbild-Velocimetriemessungen erfasst werden, ist die PIV-Erfassung in diesem Protokoll nicht enthalten. Die Autoren schlagen die Referenzen von Raffel et al. vor. 36 und Adrian und Westerweel39 für ein tiefes Verständnis von PIV-Experimentalaufbau, Datenerfassung und Datenverarbeitung.

1. Protuberance generieren(d.h. Modell Polyp)

  1. Erstellen Sie ein dreidimensionales CAD-Modell (Computer-Aided Design) mit der gewünschten Geometrie. Generieren Sie das Modell Vokalfaltenpolyp als prolates Halbkugeloid von 5,08 cm Länge, 2,54 cm Breite und 1,27 cm Höhe. Montieren Sie eine 2,54 cm quadratische Basis, die 0,64 cm dick ist, an der Unterseite des Modells Stimmfalten Polyp. Diese Basis wird verwendet, um das Modell auf dem Prüfabschnittsboden zu verankern.
  2. Exportieren Sie das 3D-CAD-Modell als Stereolithographiedatei (STL). Das STL-Dateiformat generiert die Modelloberfläche als eine Reihe von Dreiecken. Wählen Sie eine angemessene Auflösung, um eine glatte Oberfläche auf dem Modellpolypen zu gewährleisten. Es wird eine Auflösung von mindestens 600 Punkten/In empfohlen.
  3. Laden Sie die STL-Datei in die entsprechende Software hoch und drucken Sie die STL-Datei mit einem hochauflösenden dreidimensionalen Drucker oder Rapid Prototyper mit einer Build-Layer-Auflösung von mindestens 20 m.
  4. Der Windkanal-Testteil ist ca. 30,48 cm x 30,48 cm x 121,92 cm mit abnehmbarer Bodenplatte, wie in Abbildung 1dargestellt. Fräsen Sie ein 2,54 cm großes quadratisches Loch ca. 0,85 cm tief in den Windkanal-Testabschnitt Boden abnehmbare Platte, um das Modell Vokalfaltenpolyp für die Prüfung zu montieren. Die Bohrung sollte sich in der Mitte der Testabschnittsbreite befinden und zur Prüfung an der gewünschten nachgelagerten Stelle befinden.

2. Öl-Flow-Visualisierungsvorbereitung

  1. Um den Prüfabschnitt vorzubereiten, bedecken Sie die Prüfabschnittsoberfläche im Inneren des Windkanals mit weißem Klebepapier. Das Klebepapier vorsichtig auflegen und glätten, um sicherzustellen, dass der Prüfabschnittsboden keine Beulen aufgrund von Luftblasen oder Falten im Klebepapier hat. Schneiden Sie ein Loch im Klebepapier über dem quadratischen Loch im Testabschnittsboden für den Modell-Polyp-Anker, der an der Testabschnittswand befestigt werden soll.
  2. Setzen Sie die Protuberance (Modell-Gesangsfaltenpolyp) in die Ankerposition ein, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Siehe Abbildung 1.
  3. Montieren Sie eine hochauflösende Kamera über dem Windkanal-Testabschnitt. Fokussieren Sie die Kamera für das gewählte Sichtfeld einschließlich des Modellpolypes und des umgebenden Testabschnittsbereichs. Legen Sie die Kameraerfassungsparameter für Tests fest. Eine Videoeinstellung sollte verwendet werden, um den transienten Teil der Ölflussvisualisierung zu erfassen oder wenn unbeständige oder pulsatile Ströme von Interesse sind.
  4. Bereiten Sie das Flow-Visualisierungsöl-Gemisch vor, indem Sie Babyöl, Kopiertonerpulver und Kerosin im Verhältnis 7:1:2 nach Volumen kombinieren. Zum Beispiel: 35 ml Babyöl, 5 ml Tonerpulver und 10 ml Kerosin kombinieren. Babyöl und Tonerpulver in einem Behälter vermischen und rühren, bis der Toner vollständig aufgelöst ist. Dann das Kerosin hinzufügen und gut mischen.
  5. Übertragen Sie das Gemisch in eine Sprühflasche, um sie einfach auf die Testabschnittsoberfläche zu tragen.

3. Öl-Flow-Visualisierungsmessungen

  1. Reinigen und trocknen Sie die Prüfabschnittsoberfläche vor jeder Anwendung des Ölgemisches.
  2. Verwenden Sie die mit dem Ölgemisch gefüllte Sprühflasche, um eine dünne, gleichmäßige Flüssigkeitsschicht über den Bereich des Interesses zu sprühen. Eine dünne, gleichmäßige Ölgemischschicht ist wichtig, um richtige Ölfilm-Visualisierungsbilder zu erzeugen.
  3. Initiieren Sie die Bild- oder Videoaufnahme auf der Kamera. Beginnen Sie die Kameraaufnahme, bevor der Windkanal eingeschaltet wird, um die anfängliche transiente Ölgemischbewegung zu erfassen.
  4. Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein. Das Ölgemisch beginnt entlang der Testabschnittsoberfläche zu fließen.
  5. Sobald das Ölgemisch nicht mehr fließt und einen stabilen Zustand erreicht hat(d.h. die Muster sind stationär), oder wenn die gewünschte Zeit verstrichen ist, stoppen Sie die Kameraaufnahme und schalten Sie den Windkanal herunter.
    Hinweis: Video 1 zeigt das Ölgemisch, das fließt, bis ein stabiler Zustand erreicht ist und das Reibungsmuster der Haut stationär wird. Im Video bewegt sich der Fluss von links nach rechts.

4. Oberflächendruckmessungsvorbereitung

  1. Bereiten Sie die Bodenfläche des Prüfabschnitts (abnehmbare Platte) durch Bohren von Löchern zur Montage von Edelstahlrohren (0,16 cm Außendurchmesser und 2,54 cm Länge) in den Prüfabschnittsboden vor, um statische Druckhähne zu bauen. Beginnend an der Mittellinie der Ankerposition des prolaten Halbkugeloids, bohren Sie die Löcher auf einem Raster, das 8,89 cm in spanweiser Richtung und 22,86 cm flussabwärts mit 1,27 cm spanweisem Rasterabstand und 2,54 cm nachgeschaltetem Rasterabstand (siehe Abbildung 1) umfasst. Die Edelstahlrohre haben eine Wölbung an einem Ende zum Anbringen flexibler Schläuche und sind gerade am anderen Ende für die Montage.
    Hinweis: Die statischen Druckhähne können in engeren Intervallen für ein feineres Raster von Druckerfassungsstellen positioniert werden.
  2. Montieren Sie die Tubulationen um die Ankerposition des wandmontierten Prolaten-Hemispheroids(d.h. Modell-Stimmfaltenpolyp) in der gewünschten Konfiguration auf dem Prüfabschnittsboden, um sich auf die Prüfung vorzubereiten. Die Tubulationen sollten bündig mit dem Prüfabschnittsboden montiert werden.
  3. Befestigen Sie Stücke von kurzen flexiblen Schläuchen (6,35 cm Länge, 0,159 cm Innendurchmesser, 0,475 cm Außendurchmesser klare Polyvinylchloridrohre) von den montierten Edelstahlrohren an die Messöffnungsports des Scandruckwandlers. Der Scandruckwandler hat sechzehn Druckanschlüsse.

5. Oberflächendruckmessungserfassung

  1. Schließen Sie den Scandruckwandler an einen Computer an und konfigurieren Sie die Erfassungsparameter mit der Scandruckwandler-Software. Stellen Sie die Erfassungssoftware so ein, dass Daten für die gewünschte Dauer der Datenerfassung auf 500 Hz abgeführt werden.
    Hinweis: Aufgrund der geringen Druckschwankungen bei niedrigen Schwingungsfrequenzen wurden Daten mit der maximalen Abtastrate des Scandruckwandlers 500 Hz erfasst.
  2. Stellen Sie den Saugwindkanal auf die gewünschte Geschwindigkeit ein.
  3. Beginnen Sie mit der Druckmessungserfassung. Die Druckmessungen können gleichzeitig mit jeder gewünschten Strömungsdiagnostik(z.B. PIV, Laser Doppler-Anemometrie, Heißdraht-Anamometrie, etc.)erfasst werden.

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Ergebnisse

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Frühere Arbeiten mit einem 7,5-fach skalierten dynamisch angetriebenen Vokalfaltenmodell haben gezeigt, dass das Vorhandensein einer geometrischen Protuberance, Modellstimmfaltenpolypen, die normale Dynamik des Glottalstrahls während des gesamten Phonatorationszyklus stört. Repräsentative Ergebnisse der vorherigen getriebenen Vokalfaltenmodellstudie sind in Abbildung 2 und Video 2dargestellt. Das Video zeigt die Bewegung der angetriebenen Stimmfalten, während sie sich von einer konvergen...

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Diskussion

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Das Verständnis der Bildung und Ausbreitung von vorticalStrukturen aus einer geometrischen Protuberanz und deren anschließende Wirkung auf die aerodynamischen Belastungen, die die Stimmfaltendynamik antreiben, ist notwendig, um Einblicke und Modelle zu liefern, um die Behandlung von Stimmfaltenpolypen und Knötchen voranzutreiben. Die Variationen der aerodynamischen Belastungen, die durch das Modell Polypen in diesem Experiment verursacht werden, dürften zu einer unregelmäßigen Stimmfaltendynamik beitragen, die bei Patien...

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Offenlegungen

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Die Autoren haben nichts zu verraten.

Danksagungen

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Diese Arbeit wird von der National Science Foundation, Grant No. CBET-1236351 und GW Center for Biomimetics and Bioinspired Engineering (COBRE).

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Rapid PrototyperObjetObjet24Traygröße (X xY x Z): 240 x 200 x 150 mm
Schichtdicke =  28 & Mikro; M 
Genauigkeit = 0,1 mm
Bauauflösung: X-Achse: 600 dpi, Y-Achse: 600 dpi, Z-Achse: 900 dpi
Rapid Prototyper ModellmaterialObjetVeroWhite Plus Fullcure 835
Rapid Prototyper Support MaterialObjetFullCure 705 Support
Copy TonerXerox
KerosinSunnyside
Baby OilJohnson's
KlebepapierKontakt MarkeWeiß selbstklebende Abdeckung
Tygon SchlauchTygonPVC-Schlauch1/16 Zoll ID, 3/16 Zoll Außendurchmesser
Druckscanner (16 Kanal)ScanivalveDSA3217Wird für Gasdruckmessungen verwendet
Druckbereich = ± 5 Zoll H2O
Genauigkeit des Skalenendwerts = ± 0,3 % Genauigkeit des Skalenendwerts.
Maximale Abtastrate = 500 Hz/Kanal
Edelstahl-TubulationenScanivalveTUBN-063-1.00,063 im Durchmesser und 1 in der Länge

Referenzen

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