Ein virtuelles Simulationsexperiment der Mechanik: Materialverformung und -versagen anhand der Rasterelektronenmikroskopie

Das System kann verwendet werden, um unsere Studenten in experimentellen Protokollen, der Verwendung von Geräten und der theoretischen Überprüfung zu unterweisen, so dass sie ihre Operationen und die Laborfähigkeiten wiederholt verbessern können. Eine Seite von dreidimensionalen virtuellen Simulationsexperimenten kann durchgeführt werden, um die Materialverformung und das Versagen zu erkennen, ohne befürchten zu müssen, das physikalische System zu beschädigen oder sich selbst zu verletzen. Befolgen Sie nach dem Zugriff auf und dem Betreten der Schnittstelle die Anweisungen im Bild, um die Hochtemperatur-Universal-Kriechprüfmaschine virtuell zu erreichen, und platzieren Sie die Stapelproben zwischen den Plattenklemmen der Maschine.

Sobald der virtuelle Computer auf der linken Seite der Prüfmaschine markiert ist, klicken Sie auf den virtuellen Computer und legen Sie das Testschema auf dem Steuercomputer der Maschine fest. Klicken Sie dann auf die markierten Heiz- und Vakuumpumpen und schalten Sie die Stromversorgung ein. Öffnen Sie die virtuelle mechanische Pumpe und das Vorlaufventil in der Benutzeroberfläche, indem Sie auf die jeweils hervorgehobenen Schaltflächen klicken, um die Einstellungen für die Systemvakuumsteuerung abzuschließen.

Klicken Sie auf dem Bedienfeld der universellen Zeitstandprüfmaschine auf die Schaltfläche "Löschen", um die Daten zu löschen, und klicken Sie anschließend auf die Schaltfläche "Ausführen", um das Experiment zum Kopieren des Musters auf der Form auf das Blech mit dem parallelen Plattenformpressverfahren abzuschließen. Klicken Sie nach Abschluss des Formgusses erneut auf den virtuellen Computer und überprüfen Sie die Versuchsdaten auf dem Steuerrechner der Universal-Zeitstandprüfmaschine. Öffnen Sie die Abdeckplatte der metallographischen Probeneinlegemaschine und legen Sie die Probe ein.

Um das vorbereitete Pulver zu gießen, klicken Sie auf das hervorgehobene Polymethylmethacrylat oder PMMA-Pulver. Klicken Sie dann auf die markierte Form, um sie auf das PMMA-Pulver zu legen. Klicken Sie anschließend auf das markierte Handrad und passen Sie die Position der Form an, um die Abdeckplatte automatisch abzudecken.

Klicken Sie auf die Ein- und Aus-Taste, um die Einlegemaschine einzuschalten. Nehmen Sie die eingelegte PMMA-Probe nach dem Abkühlen heraus. Betreten Sie den Raum zum Polieren und Korrosion und befolgen Sie die auf dem Bild gezeigte Wegführung.

Suchen Sie die hervorgehobene Poliermaschine und klicken Sie auf den Greifer der Maschine, um die eingelegte Probe am Greifer zu montieren. Stellen Sie die Geschwindigkeit zum Schleifen und Polieren der Probe ein, indem Sie das geformte Materialsubstrat entfernen. Schleifen Sie die Form auf einer Seite, bis das Muster auf der Form freigelegt ist.

Um die Probencharakterisierung durchzuführen, öffnen Sie den Chemikalienvorratsschrank virtuell und entnehmen Sie das feste Kaliumhydroxid. Klicken Sie auf das hervorgehobene Becherglas und das feste Kaliumhydroxid für die Korrosionsflüssigkeit, um eine 10%ige Kaliumhydroxidlösung herzustellen. Wählen Sie die hervorgehobene Kaliumhydroxidlösung und die Probe aus, um die Leiter in eine metallographische Probe zu korrodieren.

Als nächstes reinigen Sie die Probe nach dem Entfernen des Siliziumsubstrats und führen einen charakterisierten Test mit einer vorbereiteten Probe unter einem optischen Mikroskop durch. Laden Sie die Probe auf den Probentisch des Nano-Eindringkörpers und wählen Sie den Kegel und den Eindringkörper, um sie am Treiber des mikro- und nanomechanischen Prüfsystems zu montieren. Klicken Sie auf das markierte Laufwerk, um es mit dem Nanoindenter zu verbinden.

Nachdem Sie den Nanoindenter installiert und die Probe in die REM-Steuerungssoftware geladen haben, klicken Sie auf die Entlüftungstaste. Öffnen Sie die REM-Kammer, nachdem Sie das Vakuum gebrochen haben, installieren Sie den Nanoindenter auf dem REM-Probentisch und schließen Sie die Drähte wie in der Abbildung gezeigt an. Öffnen Sie dann die Steuerungssoftware des Nanoindenters und wählen Sie nacheinander den Bereich des geladenen Eindringkörpers aus.

Wählen Sie das experimentelle Protokoll aus. Starten Sie den Controller und init, um die Initialisierung der Sample-Phase zu initiieren. Schließen Sie nach der Initialisierung die REM-Kammer und klicken Sie auf die Schaltfläche Pumpe in der REM-Steuerungssoftware.

Klicken Sie anschließend in der REM-Steuerungssoftware auf die Aufwärts- oder Abwärtstaste, um die Position des Probentisches entlang des REM-Sichtfelds anzupassen. Korrigieren Sie die Position, indem Sie auf die Schaltfläche OK klicken. Schalten Sie die Elektronenkanone ein, indem Sie die markierte EHT-Taste auswählen.

Wechseln Sie in den Elektronenmikroskopie-Beobachtungsmodus, indem Sie die Kamerataste auswählen. Klicken Sie abschließend in der nanoindenter-Steuerungssoftware auf Ausführen. Um das Experiment zu beenden, klicken Sie auf die Stopp-Taste in der Steuerungssoftware des Nanoindenters.

Das System verbesserte das Design des experimentellen Schemas, indem es es mit den Operationen kombinierte und eine sofortige Validierung ermöglichte. Als der Benutzer beispielsweise die Platzierungsrichtung der Probe wählte, zeigte die Schnittstelle für die Verwendung der metallographischen Probeneinlegemaschine die Ergebnisse an. In ähnlicher Weise konnte der Benutzer durch die Analyse der resultierenden Verschiebungszeit und der Spannungs-Dehnungs-Kurven aus dem Experiment eines Innenmechanikers mit einem Mikro-Cantilever-Balken mit vorhandenen Rissen bestimmen, wie die Ergebnisse erzielt wurden.

Im simulierten Szenario mussten die Studenten die Ladungsgröße und die Belastungszeit anhand des Längen-Durchmesser-Verhältnisses der zu präparierenden Probe bewerten, bevor sie ein rheologisches Experiment durchführten, anstatt den häufig verwendeten Trial-and-Error-Ansatz zu verwenden. Darüber hinaus konnten die Benutzer mit integrierten Übungen im Anschluss an die Experimente den gesamten Experimentprozess systematisch überprüfen und die Theorie mit dem Experiment verbinden. Mit der webbasierten virtuellen Simulation absolvierten die Studierenden das Experiment im Durchschnitt in etwa 73 Minuten und überprüften die Effizienz des Ansatzes.

Die Online-Prüfungsergebnisse von zwei Gruppen von Studenten der technischen Mechanik zeigten, dass diejenigen mit der Erfahrung mit der virtuellen Schnittstelle besser abschnitten als diejenigen ohne, was die Effizienz des Ansatzes weiter demonstriert. Dies hat den Studenten Forschungsinteresse und den Sinn für Innovation vermittelt, indem sie darin geschult werden, die Testtechniken, Methoden und Prinzipien fortgeschrittener mechanischer Experimente mit Mikro- und Nanofähigkeiten zu beherrschen.