Ein Millimeter Skala Biege-Prüfsystem zur Messung der mechanischen Eigenschaften von marinen Schwamm Knochensplitter

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, das Biegeverhalten von Fasern zu messen, deren Durchmesser zwischen 10 und 100 Mikrometer liegen. Diese Methode kann dazu beitragen, wichtige Fragen zum mechanischen Verhalten biologischer Strukturen zu beantworten, wie z. B. die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von marinen Schwammnadeln. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass mit ihr das mechanische Verhalten einer Vielzahl von Materialien mit unterschiedlichen Größen und elastischen Eigenschaften gemessen werden kann.

Diese Methode kann zwar Aufschluss über das mechanische Verhalten von Nadeln geben, aber auch auf andere belastende biologische Strukturen wie Pflanzenstängel und Federrachisen angewendet werden. Befestigen Sie zunächst den Lastpunkt mit den Zylinderschrauben mit Innensechskant 4-40 am Ausleger. Achten Sie darauf, dass sich die Kragarme beim Anbringen des Lastpunktes nicht plastisch verformen.

Positionieren Sie dann die Spitze des Lastpunkts von der Auslegerplatte weg und befestigen Sie den Ausleger mit den Zylinderschrauben mit Innensechskant 6 bis 32 lose an der Platte. Führen Sie als Nächstes die 1/8-Zoll-Ausrichtungsstifte durch den Ausleger und die Platte ein, ziehen Sie die Schrauben fest und entfernen Sie dann die Ausrichtungsstifte. Ziehen Sie den faseroptischen Wegsensor so weit wie möglich ein, indem Sie das Sensormikrometer gegen den Uhrzeigersinn drehen.

Befestigen Sie dann die Auslegerplatte lose am Rahmen, indem Sie die Zylinderschrauben mit Innensechskant Nummer 6-32 verwenden, wobei die Spitze des Lastpunkts in negativer Z-Richtung zeigt. Setzen Sie erneut die 1/8-Zoll-Ausrichtungsstifte ein, diesmal durch den Rahmen und die Auslegerplatte, ziehen Sie die Schrauben fest und entfernen Sie dann die Ausrichtungsstifte. Setzen Sie nun den Tisch so auf die Tischgrundplatte, dass die Spitzen der Mikrometerköpfe auf der Nivellierplatte in den Vertiefungen der Tischgrundplatte aufliegen.

Stellen Sie eine Wasserwaage auf den Isolationstisch und stellen Sie den Druck in jedem der Tischbeine ein, indem Sie die Rändelschrauben des Ventilarms so drehen, dass die Oberfläche eben ist. Schieben Sie die Wasserwaage an die Oberseite der Nivellierplatte und stellen Sie das Mikrometer so ein, dass es ebenfalls waagerecht ist. Notieren Sie sich die Positionen der Mikrometer, und entfernen Sie den Tisch von der Tischgrundplatte.

Fassen Sie mit einer Pinzette eine Ankerspitze an ihrem distalen Ende und ziehen Sie daran, um sie aus dem Skelett zu entfernen. Legen Sie die Nadel auf einen sauberen Objektträger. Halten Sie die Spitze mit einem fünffachen Rotmarderpinsel der Größe Null gegen den Objektträger.

Schneide einen vier Millimeter großen Abschnitt der Nadel ab, indem du eine Rasierklinge senkrecht zur Gleitfläche gegen die Nadel auf beiden Seiten der Bürste drückst. Verwerfen Sie dann die distalen und proximalen Spikulaabschnitte und halten Sie den vier Millimeter langen Abschnitt vom Mittelpunkt aus geschnitten. Übertragen Sie den Spikulenschnitt in den Probentisch.

Positionieren Sie ihn mit der gewünschten Spannweite für den Biegetest quer über den Graben und schieben Sie ihn vorsichtig in positiver y-Richtung gegen den Grabengrat, um sicherzustellen, dass die Nadel senkrecht zu den Grabenkanten steht. Setzen Sie den Tisch so auf die Tischgrundplatte, dass die Spitzen der Mikrometerspindeln in den Vertiefungen der Tischgrundplatte aufliegen. Stellen Sie bei Bedarf die Mikrometer an der Nivellierplatte des Tisches ein.

Öffnen Sie das Biegetestprogramm in der ergänzenden Codedatei, und stellen Sie die Schrittweite auf zwei Mikrometer, die maximale Verschiebung auf 0,5 Millimeter, den Niederspannungsstopp auf 1,5 Volt und den Hochspannungsstopp auf 4,6 Volt ein, indem Sie die in der Benutzeroberfläche angezeigten Textfelder verwenden. Wählen Sie das gewünschte Bild, die Datenverzeichnisse und den Namen der Ausgabedatei mithilfe der Textfelder in der Benutzeroberfläche aus. Stellen Sie dann den Schalter "Bilder speichern" in der Benutzeroberfläche auf die untere Position und klicken Sie auf die grüne rechteckige Schaltfläche unter den Worten "Spannungsdifferenz", damit sie aufleuchtet.

Führen Sie nun das Biegetestprogramm aus und warten Sie, bis die Motorsteuerung und die Kameraschnittstellen initialisiert sind. Schalten Sie die Beleuchtung ein und stellen Sie die Helligkeit so ein, dass die Spitze des Lastpunkts sichtbar ist. Drehen Sie dann den Mikrometer des faseroptischen Wegsensors im Uhrzeigersinn, bis die in der Grafik der Benutzeroberfläche angezeigte Ausgangsspannung etwa 1,7 Volt beträgt.

Verwenden Sie nun den Potentiometer-Schieberegler an der Z-Achsen-Motorsteuerung, um den Tisch in positiver Z-Richtung zu bewegen, bis er sich etwa einen Zentimeter unter der Lastpunktspitze befindet, und stellen Sie die Ausgangsposition der Z-Achse ein, indem Sie auf die Home-Taste klicken. Verwenden Sie die Potentiometer-Schieberegler an den Motorsteuerungen der x- und y-Achse, um die Lastpunktspitze über der Mitte des dünnen Stahlbandes auf dem Probentisch in negativer x-Richtung vom Graben aus zu positionieren. Verwenden Sie dann den Potentiometer-Schieberegler an der Motorsteuerung der Z-Achse, um den Tisch in positiver Z-Richtung zu bewegen, bis sich der Tisch innerhalb des Sichtfelds des Mikroskops befindet.

Klicken Sie auf die Schaltfläche Test starten, und geben Sie bei Aufforderung Werte von 0,003 Volt bzw. 0,001 Millimeter für die Berührungsempfindlichkeit bzw. die Schrittweite bei Berührung ein. Klicken Sie auf OK, und warten Sie einige Minuten, bis der Kalibrierungsschritt abgeschlossen ist. Öffnen Sie das Programm Basic Data, das sich in der ergänzenden Codedatei befindet, und führen Sie es aus, und drehen Sie das Mikrometer des faseroptischen Wegsensors gegen den Uhrzeigersinn, bis die in der Grafik der Benutzeroberfläche angezeigte Ausgangsspannung ungefähr drei Volt beträgt.

Verwenden Sie dann den Potentiometer-Schieberegler an der X-Achsen-Motorsteuerung, um die Lastpunktspitze zwischen den Grabenkanten über der Nadel zu positionieren. Verwenden Sie außerdem den Potentiometer-Schieberegler an der Z-Achsen-Motorsteuerung, um den Tisch in positiver Z-Richtung zu bewegen, bis sich die Spitze des Lastpunkts unter der Oberseite des Grabenkamms befindet. Verwenden Sie abschließend den Potentiometer-Schieberegler an der Motorsteuerung der Y-Achse, um die Vorderseite des Grabenkamms in den Fokus zu bringen, sodass die gesamte Breite der Lastpunktspitze zwischen den Kanten des Grabenkamms liegt.

Stoppen Sie dann das Programm Grunddaten, indem Sie auf die Schaltfläche Stopp klicken. Öffnen Sie als Nächstes das Programm Center Load Point, und führen Sie es aus, wie in der ergänzenden Codedatei zu finden. Verwenden Sie die Motorsteuerung der X-Achse, um den Tisch so lange zu bewegen, bis die Spitze des Lastpunkts nahezu mit der rechten Grabenkante in Berührung kommt.

Klicken Sie dann auf die Schaltfläche Edge suchen. Wenn Sie dazu aufgefordert werden, verwenden Sie die Motorsteuerung der X-Achse, um den Tisch zu bewegen, bis die Spitze des Lastpunkts nahezu mit der linken Grabenkante in Berührung kommt. Klicken Sie an dieser Stelle erneut auf die Schaltfläche Kante suchen, und warten Sie, bis das Programm die Spitze des Lastpunkts in der Mitte der Grabenspannweite positioniert hat.

Öffnen Sie anschließend das Biegeversuchsprogramm. Stellen Sie die Schrittweite auf zwei Mikrometer, die maximale Verschiebung auf 0,5 Millimeter, den Niederspannungsstopp auf 1,5 Volt und den Hochspannungsstopp auf 4,5 Volt ein, indem Sie die Textfelder in der Benutzeroberfläche verwenden. Wählen Sie außerdem die gewünschten Bild- und Datenverzeichnisse sowie den Namen der Ausgabedatei mithilfe der Textfelder in der Benutzeroberfläche aus.

Stellen Sie den Schalter Bilder speichern in der Benutzeroberfläche auf die obere Position und klicken Sie auf die grüne rechteckige Schaltfläche unter den Worten Spannungsdifferenz, damit sie nicht beleuchtet wird. Führen Sie dann das Biegetestprogramm aus und warten Sie, bis die Motorsteuerung und die Kameraschnittstellen initialisiert sind. Bewegen Sie den Tisch nach der Initialisierung mit dem Potentiometer-Schieberegler an der Motorsteuerung in positive z-Richtung, bis sich die Nadel innerhalb des Sichtfelds des Mikroskops befindet.

Verwenden Sie dann den Potentiometerschieber an der Y-Achsen-Motorsteuerung, um den Tisch zu bewegen, bis sich die Spitze, unter der Lastpunktspitze, befindet. Stellen Sie als Nächstes den Fokusknopf des Mikroskops so ein, dass die Schärfe in der Benutzeroberfläche scharf ist. Drehen Sie dann das Mikrometer des faseroptischen Wegsensors gegen den Uhrzeigersinn, bis die Ausgangsspannung ca. 1,8 Volt beträgt.

Klicken Sie nach dem Festlegen auf Test starten und warten Sie, bis der Biegetest abgeschlossen ist und der Tisch in die Ausgangsposition der Z-Achse zurückkehrt. Die Verschiebung der Spirale in z-Richtung und die von der Lastpunktspitze ausgeübte Kraft können mit Hilfe der Spannungs-Weg-Interpolationsdatei, der Kraftkalibrierungsdatei und der Biegeprüfdatei, die aus dem Dreipunktbiegeversuch erhalten wurde, berechnet werden. Die Spannungs-Weg-Interpolationsdatei wird verwendet, um die Auslegerverschiebung während des Biegeversuchs zu messen.

Um die Steifigkeit des Auslegers abzuschätzen, wird die Kraftkalibrierung verwendet, die dann verwendet wird, um die Auslegerverschiebung mit der von der Lastpunktspitze ausgeübten Kraft in Beziehung zu setzen. Zusammengenommen können diese verwendet werden, um die Kraft-Weg-Reaktionen zu erzeugen. Hier sind drei verschiedene E.aspergillum-Ankernadeln aus erfolgreichen Dreipunktbiegeversuchen zu sehen.

Einmal gemeistert, kann mit diesem Gerät in ca. 10 bis 15 Minuten ein Biegetest durchgeführt werden. Der wichtigste Aspekt dieses Verfahrens ist die Sicherstellung, dass die Nadel richtig auf dem Tisch sitzt und dass ihre Achse senkrecht zu den Grabenkanten steht. Dreipunktbiegeversuche bieten Forschern, die tragende biologische Strukturen untersuchen, eine relativ einfache Möglichkeit, Einblicke in ihr mechanisches Verhalten zu erhalten.

Im Anschluss an den Biegeversuch können Balkentheorien verwendet werden, um den Elastizitätsmodul und die Bruchfestigkeit der Spikulen aus den Kraft-Weg-Daten zu berechnen.