Diese Arbeit präsentiert einen Dehnungsmesssensor, der aus einem Verstärkungsmechanismus und einem Polydimethylsiloxan-Mikroskop besteht, das mit einem verbesserten 3D-Drucker hergestellt wird.
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Methodenartikel
Herstellung eines Strain-Messgeräts mit verbessertem 3D-Drucker
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Ein herkömmlicher Dehnungsmesssensor muss elektrifiziert werden und ist anfällig für elektromagnetische Störungen. Um die Schwankungen des analogen elektrischen Signals in einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifenbetrieb zu lösen, wird hier eine neue Dehnungsmessmethode vorgestellt. Es verwendet eine fotografische Technik, um die Dehnungsänderung anzuzeigen, indem die Änderung der Zeigerverschiebung des Mechanismus verstärkt wird. Eine visuelle Polydimethylsiloxan-Linse (PDMS) mit einer Brennweite von 7,16 mm wurde einer Smartphone-Kamera hinzugefügt, um eine Linsengruppe zu generieren, die als Mikroskop fungiert, um Bilder aufzunehmen. Es hatte eine äquivalente Brennweite von 5,74 mm. Acrylonitril Butadien-Styrol (ABS) und Nylonverstärker wurden verwendet, um den Einfluss verschiedener Materialien auf die Sensorleistung zu testen. Die Produktion der Verstärker und DES PDMS-Objektivs basiert auf einer verbesserten 3D-Drucktechnologie. Die erhaltenen Daten wurden mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) verglichen, um ihre Gültigkeit zu überprüfen. Die Empfindlichkeit des ABS-Verstärkers betrug 36,03 x 1,34 ,/m, und die Empfindlichkeit des Nylonverstärkers betrug 36,55 x 0,53 x / m.
Einleitung
Die Gewinnung von leichten, aber starken Materialien ist in der modernen Industrie besonders wichtig. Die Eigenschaften der Materialien werden bei Belastung, Druck, Torsion und Biegeschwingung während des Gebrauchs1,2beeinflusst. Daher ist die Dehnungsmessung von Materialien wichtig, um deren Haltbarkeit zu analysieren und die Verwendung zu beheben. Solche Messungen ermöglichen es Ingenieuren, die Haltbarkeit von Materialien zu analysieren und Produktionsprobleme zu beheben. Die gängigste Dehnungsmessmethode in der Industrie verwendet Dehnungssensoren3. Herkömmliche Foliensensoren sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und guten Zuverlässigkeit4weit verbreitet. Sie messen die Veränderungen der elektrischen Signale und wandeln sie in verschiedene Ausgangssignale5,6um. Diese Methode lässt jedoch die Details des Dehnungsprofils im gemessenen Objekt aus und ist anfällig für Geräusche durch schwingungs-elektromagnetische Störungen mit analogen Signalen. Die Entwicklung präziser, hochgradig wiederholbarer und einfacher Materialdehnungsmessmethoden ist im Engineering wichtig. Daher werden andere Methoden untersucht.
In den letzten Jahren haben Nanomaterialien großes Interesse von Forschern auf sich gezogen. Um die Belastung kleiner Objekte zu messen, schlugen Osborn et al.7 8 eine Methode zur Messung des Stamms von 3D-Nanomaterialien mit Elektronenrückstreuung (EBSD) vor. Mit Hilfe der molekularen Dynamik untersuchten Lina et al.9 die Interlayer-Reibungsdehnungstechnik von Graphen. Verteilte optische Faserdehnungsmessungen mit Rayleigh-Rückstreuspektroskopie (RBS) wurden aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit10häufig in der Fehlererkennung und zur Bewertung optischer Geräte eingesetzt. Grating Fiber optic (FBG)11,12 verteilte Dehnungssensoren wurden weit verbreitet für hochpräzise Dehnungsmessung13 für ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Dehnung verwendet. Um die dehnungsveränderungen zu überwachen, die durch die Aushärtung nach der Harzinjektion verursacht werden, haben Sanchez et al.14 einen Faseroptiksensor in eine Epoxid-Kohlenstofffaserplatte eingebettet und den kompletten Dehnungsprozess gemessen. Differential Interferenzkontrast (DIC) ist eine leistungsfähige Messmethode der Feldverformung15,16,17, die weit verbreitet ist sowie18. Durch den Vergleich der Veränderungen der gemessenen Oberflächengrauwerte in den gesammelten Bildern wird die Verformung analysiert und die Dehnung berechnet. Zhang et al.19 schlugen eine Methode vor, die auf der Einführung verstärkter Partikel und DIC-Bilder beruht, um sich aus dem traditionellen DIC zu entwickeln. Vogel und Lee20 berechneten Dehnungswerte mit einer automatischen Zwei-Ansicht-Methode. In den letzten Jahren ermöglichte dies die gleichzeitige Mikrostrukturbeobachtung und Dehnungsmessung in partikelverstärkten Verbundwerkstoffen. Herkömmliche Dehnungssensoren messen die Belastung nur effektiv in eine Richtung. Zymelka et al.21 schlugen einen omnidirektionalen flexiblen Dehnungssensor vor, der eine herkömmliche Dehnungsmessmethode verbessert, indem Veränderungen im Sensorwiderstand erkannt werden. Es ist auch möglich, Stämme mit biologischen oder chemischen Substanzen zu messen. Ionisch leitfähige Hydrogele sind beispielsweise aufgrund ihrer guten Zugeigenschaften und hohen Empfindlichkeit22,23eine effektive Alternative zu Dehnungs-/Taktsensoren. Graphen und seine Verbundwerkstoffe haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und bieten eine hohe Trägermobilität zusammen mit guter Piezoresistenz24,25,26. Daher sind Graphen-basierte Dehnungssensoren weit verbreitet in der elektronischen Hautgesundheitsüberwachung, tragbaren Elektronik und anderen Bereichen27,28verwendet worden.
In dieser Arbeit wird eine konzeptionelle Dehnungsmessung mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikroskop und einem Amplifikationssystem vorgestellt. Das Gerät unterscheidet sich von einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen, da es keine Drähte oder elektrischen Anschlüsse benötigt. Darüber hinaus kann die Verdrängung direkt beobachtet werden. Der Verstärkungsmechanismus kann an jeder beliebigen Stelle auf dem getesteten Objekt platziert werden, was die Wiederholbarkeit der Messungen erheblich erhöht. In dieser Studie wurden ein Sensor und ein Dehnungsverstärker mit 3D-Drucktechnologie hergestellt. Zuerst haben wir den 3D-Drucker verbessert, um seine Effizienz für unsere Anforderungen zu steigern. Eine kugelförmige Extrusionsvorrichtung wurde entwickelt, um den herkömmlichen Einzelmaterialextruder zu ersetzen, der von der Schneidesoftware gesteuert wird, um die Umwandlung der Metall- und Kunststoffdüsen abzuschließen. Die entsprechende Formplattform wurde ausgetauscht und die Verdrängungssensorvorrichtung (Verstärker) und das Lesegerät (PDMS-Mikroskop) integriert.
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Protokoll
1. Montage des Amplifikationsmechanismus
- Konstruieren Sie eine experimentelle Plattform mit einem verbesserten 3D-Drucker, einer Dehnungsmessstreifenanzeige, einem Antriebsgerät, einem Stützrahmen, einer Aluminiumstange, einem PDMS-Objektiv, einem Smartphone, Gewichten, einem gedruckten Verstärker (Ergänzende Abbildung 1) und einem Dehnungsmessstreifen, wie in Abbildung 1dargestellt.
- Stellen Sie die Höhe jeder Schicht im Drucker auf 0,05 mm für Nylon und 0,2 mm für ABS ein. Stellen Sie den Durchmesser des Druckkopfes in beiden Fällen auf 0,2 mm ein. Stellen Sie die Temperatur der Düse auf 220 °C für Nylon und 100 °C für ABS ein. Stellen Sie schließlich die Druckgeschwindigkeit auf 2.000 mm/min für Nylon und 3.500 mm/min für ABS ein.
- Passen Sie die Ausrichtung des kugelförmigen Extrusionskopfes so an, dass die Metalldüse der Niedertemperaturplattform gegenübersteht, und drucken Sie eine Kontur, um eine normale Extrusion zu gewährleisten, wie in Abbildung 2dargestellt.
- Hängen Sie das Nylon und ABS an der Säule. Das Vorderteil muss in den Druckspulenbehälter gelangen, der von der Metalldüse geschmolzen werden soll.
2. Montage des PDMS-Mikroskops
- Mischen Sie mit einem Magnetrührer den PDMS-Vorläufer und das Härtungsmittel, um ein Gewichtsverhältnis von 10:1 zu erhalten.
- Legen Sie das Gemisch 40 min in den Entgaser, um Blasen zu entfernen und das entgaste Gemisch in den PDMS-Behälter des kugelförmigen Extrusionskopfes zu gießen.
- Drehen Sie den kugelförmigen Extrusionskopf und die Plattform so, dass die Kunststoffdüse der Hochtemperaturplattform gegenübersteht.
- Stellen Sie das Kunststoffdüseninkrement auf 50 l. Legen Sie das untere Ende der Pipettenvorrichtung 20 mm 29 mit Hilfe der Düsendrehung und des Schrittmotors in der Z-Achse 20 mm29 von der Form entfernt.
- Schalten Sie die Kochplatte ein, um die Hochtemperaturplattform zu erhitzen. Die Temperatur der Plattform wird durch ein berührungsloses Infrarot-Strahlungsthermometer gesteuert.
HINWEIS: In dieser Studie wurden Temperaturen von 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C und 240 °C getestet. - Drücken Sie den PDMS-Container, um das PDMS-Objektiv zu drucken.
- Kühlen Sie die PDMS-Linse auf Raumtemperatur und entfernen Sie sie mit einer Gummipinzette.
- Bestimmen Sie die geometrischen Parameter der Linse, einschließlich des Kontaktwinkels, des Krümmungsradius und des Tröpfchendurchmessers, mithilfe eines dreidimensionalen Formanalysators.
3. Dehnungsmessung für Belastungstests in den Steuerungs- und Prüfgruppen
- Verwenden Sie eine Stange aus Aluminium 6063 T83 als Auslegerstrahl. Die Länge, Breite und Dicke des Auslegerbalkens sollte 380 mm x 51 mm x 3,8 mm betragen. Fix ein Ende am Operationstisch mit Schrauben und Muttern.
- Zeichnen Sie ein Kreuz in der Mitte und 160 mm vom freien Ende des Auslegerstrahls.
- Um die Oxidschicht am Auslegerbalken zu entfernen, polieren Sie ihre Oberfläche vor dem Einkleben mit feinem Schleifpapier. Die Schleifrichtung sollte etwa 45° aus der Richtung des Dehnungsmessstreifendrahtgitters sein. Verwenden Sie in Aceton getränkte Watte, um die Oberfläche des Auslegerstrahls und die Oberfläche der Dehnungsmessstreifenpaste abzuwischen.
- Schließen Sie das Antriebsgerät und die Dmseranzeige an. Schalten Sie die Stromversorgung ein. Verwenden Sie ein Dehnungsmessgerät, das auf der Mitteloberfläche der Aluminiumstange an ihrem festen Ende montiert ist, um die Dehnungsänderungen zu messen.
- Fixieren Sie das Standardgewicht am freien Ende des Auslegerstrahls, um den konzentrierten Krafteingang zu steuern. Lesen Sie die Daten mit einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen-Indikator mit einer Viertelbrückenverbindungsmethode.
- Ersetzen Sie das Dehnungsmessgerät durch die ABS- und Nylonverstärker an der gleichen Stelle.
- Befestigen Sie das PDMS-Objektiv mit einem 8-Megapixel-Sensor bei einem Fokusabstand von 29 mm an der Smartphone-Kamera. Passen Sie die Brennweite der Kamera an, bis ein klares Bild erhalten ist. Lesen Sie die Verschiebung des Zeigers mit dem PDMS-Mikroskop.
- Wiederholen Sie die Schritte 3.5 und 3.6, und stellen Sie die Last jeweils auf 1 N, 2 N, 3 N, 4 N und 5 N ein.
4. Finite-Elemente-Analyse
- Erstellen Sie 3D-Finite-Elemente-Modelle der Nylon- und ABS-Teile für die Dehnungsmessung (siehe Materialtabelle für die verwendete Software). Importieren Sie den Auslegerstrahl und den Verstärkermechanismus in die Materialbibliothek der Software und simulieren Sie deren Platzierungspositionen.
- Analysieren Sie die mechanischen Eigenschaften des VerstärkermechanismusZeigers unter der Wirkung eines Auslegerstrahls.
- Generieren Sie Netze für die Verwendung in geometrischen 3D-Modellen mit Tetraederelementen mit einer feinen Elementgröße. Verfeinern Sie die Biegescharniere, insbesondere das Scharnier zwischen dem Zeiger und den anderen Körpern.
HINWEIS: Die Young-Moduli der Elastizität für Aluminium, Nylon und ABS wurden 69 GPa, 2 GPa und 2.3 GPa verwendet. Die Poisson-Verhältnisse für Aluminium, Nylon und ABS betrugen 0,33, 0,44 bzw. 0,394. - Tragen Sie eine konzentrierte Kraft von 1 N auf die Mitte des freien Endes des Auslegerstrahls auf. Wiederholen Sie dies mit 2 N, 3 N, 4 N und 5 N.
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Ergebnisse
Bei steigender Plattformtemperatur verringerten sich der Tröpfchendurchmesser und der Krümmungsradius, während der Kontaktwinkel zunahm (Abbildung 3). Daher erhöhte sich die Brennweite des PDMS. Bei Bahnsteigtemperaturen über 220 °C wurde jedoch eine sehr kurze Aushärtungszeit in den Tröpfchen beobachtet, die sich nicht in eine ebene-konvexe Form ausdehnen konnte. Dies kann auf den niedrigen Befestigungsbereich bei der Haftung an einer Smartphone-Kamera zurückgeführt werden. Daher wurden in ...
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Diskussion
Die Ausgangsverschiebung entwickelte sich linear mit der am freien Ende des Auslegerstrahls konzentrierten Kraft und entsprach den FEA-Simulationen. Die Empfindlichkeit der Verstärker lag bei 36,55 x 0,53 x /m für Nylon und 36,03 bei 1,34 x /m für ABS. Die stabile Empfindlichkeit bestätigte die Machbarkeit und Wirksamkeit des Rapid Prototyping von hochpräzisen Sensoren mittels 3D-Druck. Die Verstärker hatten eine hohe Empfindlichkeit und waren frei von elektromagnetischen Störungen. Darüber hinaus hatten sie eine einfach...
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Offenlegungen
Die Autoren erklären keine gegensätzenden Interessen.
Danksagungen
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation of China (Grant No. 51805009) finanziell unterstützt.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| ABS | Hengli dejian Fabrik | Wird zum Drucken von Draht mit einem Durchmesser von 1,75 mm für den Verstärkungsmechanismus | |
| verwendet Aluminium 6063 T83 Stange | Die Länge, Breite und Dicke des Auslegers beträgt 380 mm, 51 mm und 3,8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS ANSYS 14.5 | ||
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing-Software mit dem verbesserten 3D-Drucker |
| Härter | Dow Corning | PDMS und Härter werden mit dem Gewichtsverhältnis von 10:1 gemischt | |
| Antriebsgerät | Xinmingtian | E00 | |
| Verbesserter 3D-Drucker und Zubehör | Von mir selbst gemacht. Die drehbare kugelförmige Hebebühne wird übernommen. Die kugelförmige Hebebühne ist mit einer Düse und einer Pipette ausgestattet, die frei geschaltet und bedruckt werden können. Bei einer rotierenden Druckplattform kann die Temperatur der Plattform frei gesteuert werden. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH / A | 8-Megapixel-Sensor und die äquivalente Fokusentfernung beträgt 29 mm |
| Magenetic Rührer | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli Dejian Kunststoff Fabrik | Wird zum Drucken von Draht mit einem Durchmesser von 1,75 mm für den Verstärkungsmechanismus | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | Nachdem das viskose Gemisch erhitzt und ausgehärtet ist, kann es mit dem Linsenverstärkungsgerät des Mobiltelefons zur Bildaufnahme kombiniert werden. |
| Formanalysator | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Unterstützung bei der Modellierung |
| VISHAY Dehnungsmessstreifen | Vishay | Wird verwendet, um die im Experiment erzeugte Dehnung zu messen. | |
| VISHAY DMS-Anzeiger | Vishay | Dehnungsdatenerfassung. |
Referenzen
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