Y-förmiges Schneiden misst bruchrelevante Längenskalen und Energien in weichen Materialien. Bisherige Geräte waren für Tischmessungen konzipiert. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Verwendung einer Vorrichtung, die den Aufbau horizontal ausrichtet und die für die In-situ-Betrachtung erforderlichen Feinpositionierungsmöglichkeiten sowie die Fehlerquantifizierung über ein optisches Mikroskop bietet.
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Methodenartikel
Durchführung von Y-förmigen Schneidtests unter dem Mikroskop
* These authors contributed equally
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Das Y-förmige Schneiden hat sich kürzlich als vielversprechende Methode erwiesen, um die Schwellenlängenskala und die Versagensenergie eines Materials sowie seine Versagensreaktion in Gegenwart von überschüssiger Verformungsenergie zu verstehen. Die experimentelle Apparatur, die in diesen Studien verwendet wurde, war vertikal ausgerichtet und erforderte umständliche Schritte, um den Winkel zwischen den Y-förmigen Beinen einzustellen. Die vertikale Ausrichtung verbietet die Visualisierung in herkömmlichen optischen Mikroskopen. Dieses Protokoll stellt eine Y-förmige Schneidevorrichtung vor, die horizontal über einem vorhandenen inversen Mikroskoptisch montiert wird, dreidimensional (X-Y-Z) so eingestellt werden kann, dass sie in das Sichtfeld des Objektivs fällt, und eine einfache Änderung des Winkels zwischen den Beinen ermöglicht. Die beiden letztgenannten Merkmale sind neu für diese experimentelle Technik. Die vorgestellte Apparatur misst die Schnittkraft mit einer Genauigkeit von 1 mN. Bei der Prüfung von Polydimethylsiloxan (PDMS), dem Referenzmaterial für diese Technik, wurde eine Schnittenergie von 132,96 J/m2 gemessen (32° Beinwinkel, 75 g Vorspannung) und es wurde festgestellt, dass sie innerhalb des Fehlers früherer Messungen mit vertikalem Aufbau (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2) lag. Der Ansatz gilt für weiche synthetische Materialien, Gewebe oder Biomembranen und kann neue Einblicke in ihr Verhalten während des Versagens liefern. Die Liste der Teile, CAD-Dateien und detaillierten Anweisungen in dieser Arbeit bieten eine Roadmap für die einfache Implementierung dieser leistungsstarken Technik.
Einleitung
Die nichtlineare Kontinuumsmechanik hat eine kritische Linse geliefert, durch die die Energiekonzentration verstanden werden kann, die zum Versagen in weichen Festkörpernführt 1. Die genaue Vorhersage dieses Versagens erfordert jedoch auch Beschreibungen der mikrostrukturellen Eigenschaften, die zur neuen Oberflächenbildung an der Rissspitze 2,3 beitragen. Eine Methode, um sich solchen Beschreibungen zu nähern, ist die In-situ-Visualisierung der Rißspitze während des Versagens 4,5. Die Rissstumpfung bei typischen Fernfe....
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Protokoll
1. Einstellung und Herstellung von Modifizier- und Verschleißteilen
- Verwenden Sie einen Laserschneider oder 3D-Drucker, um Einweg-ABS- oder Acryl-Tabs herzustellen, die in die Breite der Probenbeine B1 und B2 passen (7,5 mm x 7,5 mm für eine 1,5 cm x 7 cm x 3 mm Probe) (Abbildung 1B und Abbildung 2D). Für jeden Test werden zwei Registerkarten benötigt, eine für jedes Bein.
- Rasierklingen-Clip
HINWEIS: Die genauen Abmessungen des benötigten Rasierklingenclips hängen von der Tiefe der verwendeten Rasierklinge ab.- Ändern Sie die CAD-Konstruktionsdatei (siehe ....
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Ergebnisse
Die Parameter, die in Schritt 4 und Schritt 6 verwendet wurden, und die Daten, die in Schritt 6 und Schritt 9 gesammelt wurden, ergeben zusammen die Schnittenergie der Probe. Nach Gleichung 1 sind für die Bestimmung der Schnittenergie folgende Parameter erforderlich: Probendicke, t, Vorspannkraft, fpre und der Winkel zwischen den Beinen und der Schnittachse, θ. Außerdem werden folgende Daten benötigt: die Schnittkraft, derf-Schnitt und die durchschnittliche Beinbelastung
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Diskussion
Die hier vorgestellte horizontale, Y-förmige Schneidvorrichtung ermöglicht In-situ-Bildgebungsfunktionen sowie eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit für diese Versagenstechnik. Das Gerät verfügt über ein modulares/tragbares Design für die schnelle Montage und Demontage von einem Mikroskop und die kontinuierliche, vorjustierte Einstellung des Beinwinkels. Alle CAD-Dateien, erforderlichen Materialien und Verfahren wurden einbezogen, um die Implementierung dieser Methode zu erleichtern. In vielen Fällen (Klingenh.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts zu offenbaren.
Danksagungen
Wir danken Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer und Amir Ostadi für ihre Beratung bei dieser Arbeit. Die Finanzierung erfolgte durch den Start-up-Zuschuss des Department of Mechanical Science and Engineering der University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid und C. Walsh erhielten alle Senior Design Credits für ihre Arbeit an diesem Projekt.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| Kaufen Sie Teile | |||
| 1" OD Riemenscheibe | McMaster Carr | 3434T75 | Riemenscheibe für Drahtseil (größer) |
| 100 g Mikro-Wägezelle | RobotShop | RB-Phi-203 | |
| 1K Widerstand | Digi-Key | CMF1.00KFGCT-ND | 1 kOhm ± 1% 1 W Durchsteckwiderstand Axiale flammhemmende Beschichtung, feuchtigkeitsbeständig, Sicherheitsmetallfolie |
| 1M | Digi-Key | RNF14FAD1M00 | 1 MOhm ± 1% 0,25 W, 1/4 W Durchgangslochwiderstand Axiale flammhemmende Beschichtung, Sicherheitsmetallfolie |
| 3/8" OD Umlenkrolle | McMaster Carr | 3434T31 | Umlenkrolle für Drahtseil |
| 4" Durchsichtiger Winkelmesser mit leicht lesbaren Markierungen | S& S Worldwide | LR3023 | |
| Breadboard | ECEB | N/A | |
| IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP | Digi-Key | LTC1051CN8#PBF-ND | |
| M2 x 0.4 mm Mutter | McMaster Carr | 90592A075 | Stahl Sechskantmutter |
| M2 x 0.4 mm x 25 mm | McMaster Carr | 91292A032 | 18-8 Edelstahl Innensechskantschraube |
| M2 x 0.4 mm x 8 mm | McMaster Carr | 91292A832 | 18-8 Innensechskantschraube |
| aus Edelstahl M3 x 0,5 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A572 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl aus schwarzem Oxid |
| M3 x 0,5 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A134 | legiertem Stahl |
| M3 x 0,5 mm, 4 mm hoch | McMaster Carr | 90576A102 | Gegenmutter aus mittelfestem Stahl mit Nyloneinsatz |
| M4 x 0,7 mm Mutter | McMaster Carr | 90592A090 | Sechskantmutter aus Stahl |
| M4 x 0,7 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A306 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl aus schwarzem Oxid |
| M4 x 0,7 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A194 | Sechskantschraube aus legiertem Stahl aus schwarzem Oxid |
| M4 x 0,7 mm x 18 mm | McMaster Carr | 91290A164 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl |
| M4 x 0,7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 91290A168 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl M4 |
| x 0,7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 92581A270 | Stell Rändelschraube |
| M4 x 0,7 mm x 30 mm | McMaster Carr | 91290A172 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl |
| M4 x 0,7 mm x 50 mm | McMaster Carr | 91290A193 | Innensechskantschraube aus legiertem Stahl |
| M4 x 0,7 mm, 5 mm hoch | McMaster Carr | 94645A101 | Hochfester Stahl Nylon-Einsatzmutter |
| M5 x 0,8 mm | Mutter McMaster Carr | 90592A095 | Stahl Sechskantmutter |
| M5 x 0,8 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91310A123 | Hochfeste Stahl Klasse 10.9 Sechskantschraube |
| M5 x 0,8 mm x 35 mm | McMaster Carr | 91290A195 | Innensechskantschraube |
| aus legiertem Stahl in SchwarzoxidM5 x 0,8 mm, 13 mm Kopfdurchmesser | McMaster Carr | 96445A360 | Rändelmutter mit Flansch |
| M5 x 0,8 mm, 5 mm hoch | McMaster Carr | 90576A104 | Mittelfester Stahl Nylon-Einsatzmutter |
| Solidworks | Dassault Systèmes | CAD-Software | |
| Kabelsatz | ECEB | N/A | |
| XYZ-Achse Manueller Präzisions-Lineartisch 60 mm x 60 mm Trimmen Lager Tuning Plattform Schiebetisch | OptikFokus | N/A | |
| Make Parts | |||
| Solidworks | : arms_arm_single. SLDPRT Menge: 2 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | ||
| Winkelverstellsystem - Arme stationär | 3D-Druck Solidworks | : arms_stationary. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Winkelverstellsystem - Link | 3D-Druck Solidworks | : arms_arm_link. SLDPRT Menge: 2 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Winkelverstellsystem - Schieberegler | 3D-Druck Solidworks | : arms_slider. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Winkelverstellsystem - Abstandshalter | 3D-Druck Solidworks | : arms_front_spacer. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Clip- Klingenclip | 3D-Druck Solidworks | : Klingenclip. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Fein/0,1 mm Schichthöhe | |
| Clip- Klingenclip-Halterung | 3D-Druck-Solidworks | : Klingen-Clip-Halterung. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Fein/0,1 mm Schichthöhe | |
| Rahmenarm | 3D-Druck Solidworks | : Rahmenarm. SLDPRT Menge: 2 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Montageplattform | Laser Cut Acrylic Solidworks | : Montageplattform. SLDPRT Menge: 1 | |
| Riemenscheibenarm (links) | 3D-Druck Solidworks | : Riemenscheibe arm_Mirror.SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Riemenscheibenarm (rechts) | 3D-Druck | Solidworks: Riemenscheibenarm. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Probenhalter und Lasche- Klemme | 3D-Druck Solidworks | : Klemme.SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Probenhalter und Lasche- Probenhalter | 3D-Druck Solidworks | : Probenhalter. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Probenhalter und Lasche - Registerkarte | 3D-Druck Solidworks | : Tab.SLDPRT Menge: 2 pro Test Einstellung: Fein / 0,1 mm Schichthöhe, ohne Krempe | |
| Vertikales Verstellsystem - Innenschlitten | 3D-Druck Solidworks | : Innenschlitten. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe | |
| Vertikales Verstellsystem - Außenschlitten | 3D-Druck Solidworks | : Außenschlitten. SLDPRT Menge: 1 Einstellung: Schnell/0,2 mm Schichthöhe |
Referenzen
- Long, R., Hui, C. -Y. Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation - A review. Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).
- Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperatu....
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Nachdrucke und Genehmigungen
