Summary
Y-vormig snijden meet breukrelevante lengteschalen en energieën in zachte materialen. Eerdere apparaten waren ontworpen voor tafelmetingen. Dit protocol beschrijft de fabricage en het gebruik van een apparaat dat de opstelling horizontaal oriënteert en de fijne positioneringsmogelijkheden biedt die nodig zijn voor in situ-weergave , plus faalkwantificering, via een optische microscoop.
Abstract
Y-vormig snijden is onlangs een veelbelovende methode gebleken om de drempellengteschaal en faalenergie van een materiaal te begrijpen, evenals de faalrespons in de aanwezigheid van overtollige vervormingsenergie. Het experimentele apparaat dat in deze studies werd gebruikt, was verticaal georiënteerd en vereiste omslachtige stappen om de hoek tussen de Y-vormige benen aan te passen. De verticale oriëntatie verbiedt visualisatie in standaard optische microscopen. Dit protocol presenteert een Y-vormig snijapparaat dat horizontaal over een bestaand omgekeerd microscoopstadium wordt gemonteerd, in drie dimensies (X-Y-Z) kan worden aangepast om binnen het gezichtsveld van het objectief te vallen en maakt eenvoudige aanpassing van de hoek tussen de benen mogelijk. De laatste twee kenmerken zijn nieuw voor deze experimentele techniek. Het gepresenteerde apparaat meet de snijkracht binnen een nauwkeurigheid van 1 mN. Bij het testen van polydimethylsiloxaan (PDMS), het referentiemateriaal voor deze techniek, werd een snij-energie van 132,96 J/m2 gemeten (32° beenhoek, 75 g voorspanning) en bleek te vallen binnen de fout van eerdere metingen met een verticale opstelling (132,9 J/m2 ± 3,4 J/m2). De aanpak is van toepassing op zachte synthetische materialen, weefsels of biomembranen en kan nieuwe inzichten bieden in hun gedrag tijdens falen. De lijst met onderdelen, CAD-bestanden en gedetailleerde instructies in dit werk bieden een routekaart voor de eenvoudige implementatie van deze krachtige techniek.
Introduction
Niet-lineaire continuümmechanica heeft een kritische lens geboden om de concentratie van energie te begrijpen die leidt tot falen in zachte vaste stoffen1. De nauwkeurige voorspelling van deze storing vereist echter ook beschrijvingen van de microstructurele kenmerken die bijdragen aan nieuwe oppervlaktecreatie aan de scheurpunt 2,3. Een methode om dergelijke beschrijvingen te benaderen is door middel van in situ visualisatie van de scheurpunt tijdens storing 4,5. Scheurafstomping in typische far-field fractuurtests maakt het verkrijgen van in situ-gegevens echter een uitdaging door het sterk vervormde materiaal te verspreiden, mogelijk buiten het gezichtsveld van de microscoop6. Y-vormig snijden biedt een uniek alternatief voor microstructurele visualisatie omdat het het gebied van grote vervorming concentreert aan de punt van een blad7. Bovendien toont eerder werk van onze groep aan dat deze unieke experimentele aanpak inzicht kan geven in de verschillen in faalrespons tussen far-field tearing en contact-gemedieerde laadomstandigheden7.
De Y-vormige snijmethode die wordt gebruikt in het hier gepresenteerde apparaat werd tientallen jaren geleden voor het eerst beschreven als een snijmethode voor natuurlijk rubber8. De methode bestaat uit een vast mes door een voorgespannen Y-vormig proefstuk. Op het snijpunt van de "Y" bevindt zich de scheurpunt, die voorafgaand aan het testen wordt gecreëerd door een deel van een rechthoekig stuk in twee gelijke "poten" te splitsen (figuur 1B en figuur 2D). De belangrijkste voordelen van deze snijmethode zijn de vermindering van wrijvingsbijdragen aan de gemeten snij-energie, de variabele bladgeometrie (d.w.z. beperking van de scheurpuntgeometrie), de controle van het uitvalpercentage (via de monsterverplaatsingssnelheid) en de afzonderlijke afstemming van het snijden, C en scheuren, T, energiebijdragen aan de totale energie G-snede (d.w.z. het veranderen van de storingsenergie boven een snijdrempel)8. Deze laatste bijdragen worden uitgedrukt in een eenvoudige, gesloten uitdrukking voor de snij-energie9
Eqn (1)
die gebruik maakt van experimenteel geselecteerde parameters, waaronder monsterdikte, t, gemiddelde beenspanning, 
, voorspanningskracht, fpre, en de hoek tussen de benen en de snijas, θ. De snijkracht, fcut, wordt gemeten met het apparaat zoals beschreven in Zhang et al.9. Met name het hier gepresenteerde apparaat bevat een nieuw, eenvoudig en nauwkeurig mechanisme voor het afstemmen van de beenhoek, θ, en ervoor te zorgen dat het monster gecentreerd is. Hoewel beide functies van cruciaal belang zijn voor een op een microscoop gemonteerde opstelling, kan het mechanisme ook toekomstige verticale implementaties van de Y-vormige snijtest ten goede komen door het gebruiksgemak te vergroten.
Vooruitgang bij het bepalen van de juiste faalcriteria voor zachte vaste stoffen is aan de gang sinds het vroege succes van monsteronafhankelijke breukgeometrieën geïntroduceerd door Rivlin en Thomas10. Kritische energieafgiftesnelheden10, samenhangende zonewetten11 en verschillende vormen van stress- of energie-op-afstand-benaderingen 12,13,14 zijn gebruikt. Onlangs maakten Zhang en Hutchens gebruik van de laatste benadering, wat aantoonde dat Y-vormig snijden met voldoende kleine radiusbladen drempelfalencondities kon opleveren voor zachte breuk7: een drempeluitvalenergie en een drempellengteschaal voor falen die varieert van tientallen tot honderden nanometers in homogeen, zeer elastisch polydimethylsiloxaan (PDMS). Deze resultaten werden gecombineerd met continuümmodellering en schaaltheorie om een relatie te ontwikkelen tussen snijden en scheuren in deze materialen, waardoor het nut van Y-vormig snijden werd aangetoond voor het bieden van inzicht in alle modi van zacht falen. Het gedrag van veel materiaalklassen, waaronder dissipatieve en composietmaterialen, blijft echter onontgonnen. Verwacht wordt dat veel van deze microstructuurgestuurde effecten zullen vertonen op lengteschalen boven de golflengte van zichtbaar licht. Daarom werd in deze studie een apparaat ontworpen dat voor het eerst de nauwe visuele karakterisering van deze effecten tijdens Y-vormig snijden mogelijk maakt (bijvoorbeeld in composieten, inclusief zachte weefsels, of van dissipatieve processen, verwacht op de micrometer tot millimeterlengteschalen15).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Aanpassing en fabricage van wijzigbare en verbruiksonderdelen
- Gebruik een lasersnijder of 3D-printer om wegwerp-ABS- of acryllipjes te vervaardigen die passen binnen de breedte van de monsterpoten, B1 en B2 (7,5 mm x 7,5 mm voor een monster van 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (figuur 1B en figuur 2D). Voor elke test zijn twee tabbladen nodig, één voor elk been.
- Scheermesje clip
OPMERKING: De exacte afmetingen van de benodigde scheermesjesclip zijn afhankelijk van de diepte van het gebruikte scheermesje.- Wijzig het CAD-ontwerp (zie Materiaaltabel) bladeclip. SLDPRT (Supplemental Coding File 1) door de breedte van de clipbasis zodanig te wijzigen dat de afstand van de punt van het geselecteerde scheermesje tot de achterkant van de clip 30,35 mm is (figuur 1D). Deze aanpassing houdt de punt van het blad direct onder het draaipunt (figuur 1E) van het hoekaanpassingsmechanisme (figuur 1A en figuur 2A) dat wordt gebruikt om de hoek tussen de poten aan te passen.
OPMERKING: Het apparaat kan messen met een diepte van 8-20 mm bevatten. - Gebruik de fijne instellingen om de clip van het scheermesje 3D-te printen (figuur 1D). Door 3D-printfouten past de zwaluwstaart van de scheermesclip mogelijk niet als geprint. Om dit op te lossen, gebruikt u schuurpapier of een fijne vijl om materiaal van de achterkant van de scheermesjesclip te verwijderen totdat het met de hand kan worden ingebracht en verwijderd uit de sleuf op de mesclipbevestiging, maar nog steeds strak zit tijdens het snijden.
- Wijzig het CAD-ontwerp (zie Materiaaltabel) bladeclip. SLDPRT (Supplemental Coding File 1) door de breedte van de clipbasis zodanig te wijzigen dat de afstand van de punt van het geselecteerde scheermesje tot de achterkant van de clip 30,35 mm is (figuur 1D). Deze aanpassing houdt de punt van het blad direct onder het draaipunt (figuur 1E) van het hoekaanpassingsmechanisme (figuur 1A en figuur 2A) dat wordt gebruikt om de hoek tussen de poten aan te passen.
- Wijzig de afmetingen van de monsterhouder (figuur 1C) met behulp van het CAD-ontwerpbestand Voorbeeldhouder. SLDPRT (Supplemental Coding File 2) om te passen bij de opening van de specifieke microscoopfase (figuur 2B). Om ervoor te zorgen dat het apparaat zijn volledige bewegingsbereik kan gebruiken, is het belangrijk dat de binnenholte van de houder zo groot mogelijk blijft.
- Loadcelhouder
OPMERKING: Loadcellen van het buigtype zijn er in vele geometrieën. De locatie waarop de belastingssensor moet worden gemonteerd (de binnenste dia, figuur 1E) moet worden aangepast, afhankelijk van de geselecteerde loadcel.- Pas de volgende afmetingen op de binnenste dia aan (figuur 1E) aan de specifieke loadcel aan: 1) de locatie van de montagegaten (momenteel twee M3-gaten met een afstand van 6 mm van hart tot hart); 2) de afstand tussen de loadcelbundel en het binnenste schuifvlak, afhankelijk van de maximale doorbuiging van de loadcelbundel (momenteel 3 mm); en 3) de hoogte en breedte voor de geometrie van de loadcel (momenteel respectievelijk 35 mm en 12,1 mm).
OPMERKING: Het lengtebereik van de loadcel dat kan worden gebruikt zonder het verticale aanpassingssysteem te verstoren (figuur 1E en figuur 2A) is 10-63 mm. Als de grootte van de loadcel buiten dit bereik valt, is een alternatief om het hoogteverstellingssysteem te verwijderen of de katrolarmen opnieuw te ontwerpen /verlengen (figuur 1A).
- Pas de volgende afmetingen op de binnenste dia aan (figuur 1E) aan de specifieke loadcel aan: 1) de locatie van de montagegaten (momenteel twee M3-gaten met een afstand van 6 mm van hart tot hart); 2) de afstand tussen de loadcelbundel en het binnenste schuifvlak, afhankelijk van de maximale doorbuiging van de loadcelbundel (momenteel 3 mm); en 3) de hoogte en breedte voor de geometrie van de loadcel (momenteel respectievelijk 35 mm en 12,1 mm).
- Herontwerp, met behulp van de juiste CAD-bestanden, het montageplatform en de framearmen (figuur 1A) om te passen bij de specifieke microscoop/ microscoopfase die wordt gebruikt. Met name de framearmen (framearm. SLDPRT, Supplemental Coding File 3) moet mogelijk worden aangepast om de bijlage te vergemakkelijken. De hoogte van de katrolarmen (figuur 1A) (katrolarm. SLDPRT, Supplemental Coding File 4 en pulley arm_Mirror.SLDPRT, Supplemental Coding File 5) moeten mogelijk ook worden gewijzigd, afhankelijk van de hoogten van het vlak van de montagegaten van de microscoop en het bovenste vlak van de XY-fase van de microscoop.
2. Mechanische montage
- Zodra alle microscoop-, loadcel-, scheermesje- en monstercomponenten op de juiste manier zijn gewijzigd, vervaardigt u alle componenten en bouwt u het apparaat (figuur 2A). De componenten omvatten 3D-geprinte, lasergesneden en commerciële kant-en-klare onderdelen. Een gedetailleerde lijst van onderdelen wordt gegeven in de tabel met materialen. Computerassemblagetekeningen van alle onderdelen en apparatuurassemblage zijn beschikbaar in Aanvullende coderingsbestanden 1-17.
- Om de loadcel te monteren, bevestigt u eerst de bladclipbevestiging aan de loadcel (figuur 1E). Bevestig dit samenstel aan de binnenste schuif van het verticale verstelsysteem (figuur 1E en figuur 2A). Bevestig het gecombineerde systeem van de bladclipbevestiging, de loadcel en de binnenste schuif van het verticale aanpassingssysteem in de buitenste schuif van het verticale aanpassingssysteem (figuur 1E) die aan de onderkant van het hoekverstellingsmechanisme is gemonteerd (figuur 1A en figuur 2A).
OPMERKING: Micro loadcellen zijn kwetsbaar. Wees voorzichtig bij het hanteren van de loadcel om eventuele krachten die er buiten het testen op worden uitgeoefend te minimaliseren, met name krachten in de richting van belastingsmeting.
3. Elektrische montage
- Stel het loadcel- en data-acquisitiesysteem in. Bouw een versterkingscircuit volgens het schema (Figuur 1F, Versterkingscircuitschema. SchDoc [Supplemental Coding File 18], en Amplification circuit PCB. PcbDoc [Aanvullend coderingsbestand 19]). Sluit het uitgangssignaal rechtstreeks aan op een data-acquisitiesysteem met een ingangsbereik van 0-5 V. Sluit de elementen van het circuit aan volgens figuur 1G.
- Kalibreer de loadcel door een gewicht van bekende hoeveelheid op de afbuigbundel te plaatsen en de spanningsuitgang te registreren in de kalibratiecode (calibrate_ni_daq.mlapp, Supplemental Coding File 20). Herhaal dit proces ten minste 5x voor verschillende gewichten van bekende hoeveelheid.
- Bereken de kalibratieconstante van de loadcel door de bekende gewichts- versus spanningsgegevens op een lijn aan te passen. Voer deze kalibratiewaarde in de code voor gegevensverzameling in (collect_data.mlapp, Supplemental Coding File 21).
OPMERKING: De benadering van gegevensverzameling is afhankelijk van het type loadcel dat is geselecteerd. In deze studie werd een afbuigbelastingscel met een maximale nominale capaciteit van 0,5 N, 0,05% nominale output (R.O.) maximale herhaalbaarheid en 0,03% R.O.-hysterese gebruikt. Het ~10 mV uitgangssignaal wordt versterkt om het gebruik van een commercieel data acquisitie (DAQ) systeem mogelijk te maken (−5 tot 5 V ingangsbereik, 16-bit resolutie). Als gevolg hiervan werd een krachtresolutie van fijner dan 1 mN verkregen bij het verzamelen van gegevens met een snelheid van 20 Hz na het toepassen van een rollend mediaanfilter.
4. Montage van apparatuur
- Nadat het apparaat is gebouwd en de loadcel en het data-acquisitiesysteem zijn opgezet, vervangt u de originele, op het podium gemonteerde schuifhouder door de aangepaste monsterhouder.
- Bevestig de assemblage aan de microscoop. Gebruik montagegaten op het bovenoppervlak van de microscoop, indien beschikbaar.
- Stel de hoek van de snede in door de duimschroef van de hoekversteller los te maken en vervolgens de lineaire dia te verplaatsen (figuur 1A). Stel de hoek in na het meten met een gradenboog (figuur 2A) en draai de duimschroef van de hoekaanstelling vast. De hoek tussen een been en het middenvlak van het monster, θ, kan worden aangepast van 8°-45° (figuur 1B).
- Plaats twee verticale katrollen achter het apparaat.
5. Monstervoorbereiding
- Monsterafmetingen: Bereid een dun rechthoekig monster (bijv. 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) PDMS (zie Tabel met materialen) door het uit een groter vel te snijden of een mal van de juiste afmetingen te gebruiken. De afmetingen kunnen variëren, maar een breedte van 1,5 cm of minder voor een monster met een dikte van 3 mm of minder wordt aanbevolen om te beginnen.
- De poten snijden: Snijd het monster met een scheermesje 3 cm in de lengte langs de middellijn om het Y-vormige monster te maken (figuur 1B). Deze lengte kan variëren, maar de poten moeten lang genoeg zijn om de lipjes te huisvesten, maar toch kort genoeg om een ongesneden monster achter te laten voor meting.
- Rekmetingsmarkering: plaats met behulp van een marker of inkt twee markeringen, gecentreerd en gescheiden door ongeveer 1 cm, op elk van de dunne poten (figuur 2D) en het lichaam van het monster (zes in totaal) om de toegepaste rek in elk van de drie monsterpoten onder belasting mogelijk te maken.
- De lipjes bevestigen: Gebruik lijmachtige cyanoacrylaatlijm om een 3D-geprint of lasergesneden lipje (stap 1.1) aan het uiteinde van elke poot te bevestigen (figuur 1B en figuur 2D).
- Bereid de spanningslijn voor: Meet en knip twee lengtes dunne vislijn. Ongeveer 30 cm lijn is nodig voor interne routering door het mechanisme; voeg indien nodig meer toe om de lijn naar de externe set katrollen te leiden (stap 4.4). Bevestig weegplaten van 5 g aan het uiteinde van de lijnen die door de externe katrollen lopen en bind het andere uiteinde aan het lipje op elke poot.
6. Monstermontage
OPMERKING: Wees voorzichtig tijdens deze stap om ervoor te zorgen dat het monster het microscoopdoel niet raakt om te voorkomen dat het wordt beschadigd. Het kan helpen om het objectief en de microscoopfase aan te passen om zoveel mogelijk ruimte te creëren voor monstermontage.
- Klem de basis van het monster vast met behulp van de duimschroef van de monsterhouder (figuur 1C).
- Leid de lijn voor elk been door elke kant van het katrolsysteem (figuur 1A en figuur 2A). Maak een foto van het monster vanaf de bovenkant terwijl het monster onder verwaarloosbaar gewicht is door een camera tegen de onderkant van het hoekaanpassingsmechanisme te houden. Zorg ervoor dat de camera evenwijdig is aan het voorbeeldvlak om perspectiefeffecten te minimaliseren.
- Voeg het gewenste voorlaadgewicht van 75 g toe aan beide uiteinden van de vislijn in de buurt van de externe katrollen. Verhoog deze hoeveelheid tot 150 g of verlaag deze tot 50 g om de scheurbijdrage indien gewenst te wijzigen voor dit voorbeeldmateriaal en de geometrie. Maak een tweede foto van het monster nadat het gewicht is toegevoegd en zorg er opnieuw voor dat de camera evenwijdig is aan het monstervlak.
OPMERKING: De hier gegeven voorbeeldgewichten zijn specifiek van toepassing op de PDMS-steekproef die in dit onderzoek wordt gebruikt. - Lijn de vislijn vanaf de onderste katrol uit met het Z-vlak van de monsterpoten met behulp van de Z-component van de drieweg micro-aanpassingsfase (figuur 1A). Plaats de verwachte bladpunt ongeveer dicht bij het gezichtsveld van het objectief (figuur 2B).
7. Blade montage
- Plaats het scheermesje in de bijbehorende mesclip (stap 1.2) en bevestig het mesje op zijn plaats met een ingestelde schroef. Plaats het blad stevig in de bladclip (figuur 1D en figuur 2C) om ervoor te zorgen dat het vierkant is. Schuif dit geknipte scheermesje in de mesclipbevestiging die aan de loadcel is bevestigd (figuur 1E).
OPMERKING: Het blad moet altijd worden geplaatst nadat het monster is gemonteerd. Als het blad vóór het monster op zijn plaats zit, vormt dit een veiligheidsrisico voor de gebruiker.
8. Uitlijning van de apparatuur
- Selecteer het 2,5x microscoopobjectief, of zo hoog als 20x als dichterbij beelden gewenst zijn.
- Gebruik de instelling voor doorgelaten licht en vergroot indien nodig het licht achter het monster.
- Met het blad op zijn plaats richt u de microscoop op de bodem ervan, indien nodig met behulp van het verticale aanpassingssysteem van het blad om de punt op de juiste werkafstand voor het objectief te brengen (figuur 1E en figuur 2A). Lijn het scheermesje zorgvuldig uit binnen het gezichtsveld van de microscoop met alleen de X- en Y-richtingen van de drieweg micro-aanpassingsfase (figuur 1A).
- Richt vervolgens de microscoop op het monster. Lijn de scheurpunt uit met het scheermesje (figuur 2B) door de XY-fase van de microscoop (figuur 1A) te vertalen om ervoor te zorgen dat het middenvlak van het monster uitlijnt met het middenvlak van het hoekaanpassingsmechanisme.
9. Testen
- Open de code die wordt gebruikt voor het verzamelen van load cell-gegevens (collect_data.mlapp, Supplemental Coding File 21).
- Begin met het opnemen van de load cell-gegevens door op de knop Opname starten te klikken.
- Vertaal het monster door het scheermesje gedurende 1 cm of meer met een constante snelheid met behulp van microscooptrapregeling. Verzamel tegelijkertijd beelden met behulp van de beeldvormingsinterface van de microscoop.
- Wanneer de microscoop XY-fase stopt (figuur 1A), klikt u op de knop Opname stoppen om te stoppen met het opnemen van gegevens en automatisch een *.txt bestand van de belasting en tijdrespons op te slaan.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
De parameters die tijdens stap 4 en stap 6 zijn gebruikt en de gegevens die tijdens stap 6 en stap 9 zijn verzameld, leveren samen de snij-energie van het monster op. Volgens Eqn. 1 vereist de bepaling van de snij-energie de volgende parameters: monsterdikte, t, voorspanningskracht, fpre, en de hoek tussen de poten en de snijas, θ. De volgende gegevens zijn ook vereist: de snijkracht, fcut, en de gemiddelde beenspanning, . De eerste is afkomstig van force-time gegevens die via de computercode zijn verzameld. De kracht-tijdgegevens van een typische test (figuur 3A) illustreren een hoge beginkracht, zoals meestal vereist is voor snij-initiatie, gevolgd door een constante kracht, wat wijst op steady state cutting. De snijkracht, fcut, is de maximale waarde van de kracht binnen dit steady state regime9. De gemiddelde belasting in de benen, , wordt gegeven door
Eqn (2)
waarbij beelden van het voor- en nabeladingsmonster voorafgaand aan het snijden (stap 6.2 en stap 6.3) worden gebruikt als optische rekstrook om λB1, λB2 en λA te meten. Ten slotte worden deze waarden gecombineerd om de snij-energie te berekenen met behulp van Eqn. 1.
Voor de hier gerapporteerde representatieve resultaten: een ultrascherp blad (straal van 129 nm), een beenhoek van 32° en een voorspanning van 75 g ( = 1,04), maten we een snij-energie van 132,96 J/m2 voor PDMS. Deze waarde komt goed overeen met de eerder verkregen snij-energie onder deze omstandigheden van 132,9 J/m2 ± 3,4 J/m2, waarmee het mechanische gedeelte van de hier gedemonstreerde testopstelling wordt gevalideerd9. Indien gewenst kunnen de kracht-tijdgegevens ongeveer worden omgezet in krachtverplaatsingsgegevens met behulp van het microscooptrapbewegingsprotocol (bijv. Constante snelheid).
De levensvatbaarheid van de opstelling voor het gelijktijdig verzamelen van microscoopbeelden wordt geïllustreerd in figuur 3B. Deze beelden worden verzameld met behulp van een 2,5x objectief 1) vanaf het begin van de test, 2) voorbij de snij-initiatie en 3) gedurende de steady state in een gespikkeld PDMS-monster gemengd met de verhouding van de fabrikant van 10: 1. We behielden de focus tijdens de test en toonden een-op-een correspondentie tussen de mechanische en optische gegevens. We merken op dat de kwaliteit en vergroting van de verkregen microscoopbeelden afhankelijk is van de gebruikte combinatie systeem/doel/podium/programma.
Figuur 1: CAD-beelden van de op de microscoop gemonteerde Y-vormige snijinrichting. (A) Het volledige snijapparaat gemonteerd boven een omgekeerde microscoop met een geautomatiseerd XY-stadium. Niet getoond zijn de verticale katrollen achter het systeem waaraan dode gewichten worden opgehangen om voorspanningskrachten, fpre, op het monster te creëren. B) Het monster bestaat uit één poot, "A", waaruit twee gelijke poten zijn gesneden, "B1" en "B2", om een "Y"-vorm met beenhoek θ te creëren. (C) De monsterhouder houdt het monster op zijn plaats in een sleuf in de microscoopfase. (D) De bovenaanweergave van de aanpasbare bladclips laat zien hoe hun herontwerp geschikt is voor bladen van verschillende hoogtes met behoud van de afstand van 30,35 mm die de bovenkant uitlijnt met het draaipunt van het hoekaanpassingsmechanisme. (E) Een close-up zijaanzicht van het verticale aanpassingssysteem, de loadcel en de montageonderdelen van de bladclip. (F) Het signaal van de loadcel wordt gemedieerd door een versterkingscircuit dat wordt gebruikt om de loadceluitgang (0-10 mV) om te zetten naar het 0-5 V-bereik van het data-acquisitiesysteem. (G) Dit circuit wordt geïmplementeerd door het aan te sluiten op de voeding, loadcel en data-acquisitiesysteem met behulp van een printplaat. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2: Foto's van het op de microscoop gemonteerde Y-vormige snijapparaat. (A) Een foto van de operationele Y-vormige snijinrichting met vals gekleurde gebieden toegevoegd om de belangrijkste ontwerpkenmerken aan te geven. B) een voorwaartse weergave van het apparaat ter illustratie van de geschatte uitlijning van de loadcel en het middenvlak van het monster en met vermelding van het te snijden gebied dat binnen het gezichtsveld van de microscoopdoelstelling valt. (Mes en bladclip niet gemonteerd.) (C) Voorbeelden van gemonteerde bladen en clips met een gelijke totale hoogte van 30,35 mm. (D) Een PDMS Y-vormig monster voorafgaand aan de montage, met de lipjes en vislijn bevestigd. Fiduciale markers zijn toegevoegd aan de benen "B1" en "B2" om de gemiddelde rek bij preload-toepassing te meten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3: Representatieve in situ snijresultaten. (A) Een kracht-tijdcurve voor PDMS (10:1) met behulp van een ultrascherp blad (straal van 129 nm), een beenhoek van 32° en een voorspanning van 75 g ( = 1,04). De elastische belastings-, snij-initiatie-, steady-state snij- en losgebieden van de curve zijn gelabeld. (B) Rode cirkels die overeenkomen met de beelden die door de microscoop zijn verkregen, worden weergegeven. Een gele cirkel is toegevoegd om de observatie van de beweging van het spikkelpatroon te vergemakkelijken. Schaalbalk = 1 mm. Tijdstempels, in seconden, zijn opgenomen in de linkerbovenhoek van elke afbeelding. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Aanvullend coderingsbestand 1. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 2. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 3. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 4. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 5. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 6. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 7. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 8. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 9. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 10. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 11. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 12. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 13. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 14. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 15. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 16. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 17. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 18. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 19. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 20. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullend coderingsbestand 21. Klik hier om dit bestand te downloaden.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Het horizontale, Y-vormige snijapparaat dat hier wordt gerapporteerd, maakt in situ beeldvormingsmogelijkheden mogelijk, samen met een verbeterd gebruiksgemak voor deze faaltechniek. Het apparaat bevat een modulair/draagbaar ontwerp voor snelle montage/ontkoppeling van een microscoop en continue, vooraf uitgelijnde aanpassing van de beenhoek. Alle CAD-bestanden, benodigde materialen en procedures zijn opgenomen om de implementatie van deze methode te vergemakkelijken. In veel gevallen (bladhouders, monsterhouder, loadcelbevestiging, montageframe) kunnen de 3D-geprinte onderdelen eenvoudig worden aangepast voor een bepaald materiaal / blad of specifieke loadcel / microscoop. De volgende tips zijn echter van toepassing op alle parameters en toepassingen van dit apparaat.
Het gewicht dat wordt gebruikt om elk been in spanning te houden, is van cruciaal belang voor een succesvolle meting. Een voldoende laag gewicht zorgt ervoor dat de test niet onmiddellijk mislukt (het kan nuttig zijn om langzaam en stapsgewijs gewicht toe te passen). Het laden van de benen met te weinig kracht zal echter resulteren in knikken van het monster, waardoor het monster onder of voor het mes vouwt in plaats van of tijdens het snijden. Een "schijnbare" snijkracht kan onder deze omstandigheden worden gemeten, maar het zal niet de snijkracht van het materiaal zijn.
De monsterpoten moeten een geschikte lengte hebben voor de monsterhouder en de gewenste verplaatsing hebben. Benen die te lang zijn, lopen in het katrolsysteem voordat er een voldoende lange snede is gemaakt. De poten moeten lang genoeg zijn om de lipjes te huisvesten. Voor de hier gerapporteerde monsterhoudergeometrie biedt een totale monsterlengte van 7 cm met 3 cm poten een goed startpunt. De loadcel moet vóór elk gebruik worden gekalibreerd. Abrupte beweging van het apparaat kan ervoor zorgen dat de loadcel ongekalibreerd of zelfs beschadigd raakt.
De belangrijkste wijzigingen vallen in twee categorieën: accommodatie van beschikbare apparatuur/componenten en materiaal-/beeldvormingsvereisten. In termen van de eerste categorie kan het montageframe van het apparaat worden aangepast voor implementatie op verschillende microscopen. De load-cell mount, de verticale aanpassing of de armen die de eerste set katrollen ondersteunen, kunnen allemaal worden aangepast om loadcellen van verschillende lengtes te huisvesten. De mesclips moeten mogelijk worden aangepast, afhankelijk van de bladdiepte, zoals beschreven in stap 2.2 van het protocol. Wat de tweede categorie betreft, kan de houder van de steekproef worden aangepast om zich aan te passen aan de objectieve beperkingen van de werkafstand of de steekproefomgeving. In het geval van het testen van gehydrateerde materialen kan bijvoorbeeld een petrischaaltje of dia onder het monster worden opgenomen om de microscoop te beschermen en de hydratatie te behouden.
Net als bij verticaal Y-vormig snijden is deze aanpak vooral van toepassing op zachte, redelijk robuuste vaste stoffen. Stijve materialen geven er de voorkeur aan om naar buiten te draaien in plaats van naar buiten te buigen en een vlak monster te behouden wanneer een Y-inducerende belasting wordt uitgeoefend16. Wanneer monsters extreem broos zijn, zijn lage beenhoeken vereist om een voldoende lage scheurbijdrage te bereiken (Eqn. 1), op welk punt wrijving een probleem kan worden. Gehydrateerde monsters, meestal met een zeer lage wrijving, kunnen de uitzondering zijn voor tests in dergelijke lage beenhoeken. Uit ervaring blijkt dat beenhoeken >35° over het algemeen wrijvingseffecten vermijden bij relatief "kleverige" siliconen 7,9. Veranderingen in de geometrie, omgeving of bladhoek van het monster kunnen veel van deze barrières op termijn overwinnen. Beperkingen in de snijsnelheid en -regeling zullen variëren met de geautomatiseerde XY-microscooptrap die wordt gebruikt. In het bijzonder bieden sommige stage/softwarecombinaties slechts een paar standaardopties voor constante snelheid. Bij hogere snijsnelheden kan het verkrijgen van afbeeldingen onvoldoende zijn om vervaging te voorkomen. Al deze beperkingen zijn afhankelijk van de microscoop- en podiumfabrikanten, maar kunnen worden overwonnen door dit apparaat op een aangepaste microscoop toe te passen.
Y-vormig snijden vergemakkelijkt de bepaling van de drempeluitvaleigenschappen van zachte vaste stoffen en geeft inzicht in de fundamentele faalreacties van deze materialen onder sterk gecontroleerde omstandigheden. Met de wijziging die wordt geleverd door het hier beschreven apparaat, kunnen deze mechanische metingen nu worden gecombineerd met bestaande optische karakteriseringstechnieken zoals, maar niet beperkt tot, het volgende: mechanofooractivering5, tweede harmonische generatie (SHG)17 en digitale beeldcorrelatie18. Deze combinatie zal naar verwachting nieuwe, kwantificeerbare waarnemingen opleveren van de intieme relatie tussen microstructuur en stressconcentratie bij zacht falen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
De auteurs hebben niets te onthullen.
Acknowledgments
We willen Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer en Amir Ostadi bedanken voor hun advies over dit werk. Financiering kwam van de start-up subsidie verstrekt door het Department of Mechanical Science and Engineering aan de Universiteit van Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid en C. Walsh ontvingen allemaal senior ontwerpkrediet voor hun werk aan dit project.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Buy Parts | |||
| 1" OD Pulley | McMaster Carr | 3434T75 | Pulley for Wire Rope (Larger) |
| 100 g Micro Load Cell | RobotShop | RB-Phi-203 | |
| 1K Resistor | Digi-Key | CMF1.00KFGCT-ND | 1 kOhms ±1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film |
| 1M Resistor | Digi-Key | RNF14FAD1M00 | 1 MOhms ±1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film |
| 3/8" OD Pulley | McMaster Carr | 3434T31 | Pulley for Wire Rope |
| 4" Clear Protractor with Easy Read Markings | 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 Nut | McMaster Carr | 90592A075 | Steel Hex Nut |
| M2 x 0.4 mm x 25 mm | McMaster Carr | 91292A032 | 18-8 Stainless Steel Socket Head Screw |
| M2 x 0.4 mm x 8 mm | McMaster Carr | 91292A832 | 18-8 Stainless Steel Socket Head Screw |
| M3 x 0.5 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A572 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M3 x 0.5 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A134 | Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw |
| M3 x 0.5 mm, 4 mm High | McMaster Carr | 90576A102 | Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| M4 x 0.7 mm Nut | McMaster Carr | 90592A090 | Steel Hex Nut |
| M4 x 0.7 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A306 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A194 | Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 18 mm | McMaster Carr | 91290A164 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 91290A168 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 92581A270 | Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw |
| M4 x 0.7 mm x 30 mm | McMaster Carr | 91290A172 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm x 50 mm | McMaster Carr | 91290A193 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M4 x 0.7 mm, 5 mm High | McMaster Carr | 94645A101 | High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| M5 x 0.8 mm Nut | McMaster Carr | 90592A095 | Steel Hex Nut |
| M5 x 0.8 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91310A123 | High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw |
| M5 x 0.8 mm x 35 mm | McMaster Carr | 91290A195 | Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw |
| M5 x 0.8 mm, 13 mm Head Diameter | McMaster Carr | 96445A360 | Flanged Knurled-Head Thumb Nut |
| M5 x 0.8 mm, 5 mm High | McMaster Carr | 90576A104 | Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut |
| Solidworks | Dassault Systemes | CAD software | |
| Wiring Kit | ECEB | N/A | |
| XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding Table | OpticsFocus | N/A | |
| Make Parts | |||
| Angle adjustment system- arm | 3D Printing | solidworks: arms_arm_single.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- arms stationary | 3D Printing | solidworks: arms_stationary.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- link | 3D Printing | solidworks: arms_arm_link.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- slider | 3D Printing | solidworks: arms_slider.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Angle adjustment system- spacer | 3D Printing | solidworks: arms_front_spacer.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Clip- Blade clip | 3D Printing | solidworks: Blade clip.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height |
|
| Clip- Blade clip mount | 3D Printing | solidworks: Blade clip mount.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fine/0.1 mm layer height |
|
| Frame arm | 3D Printing | solidworks: frame arm.SLDPRT QTY: 2 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Mounting platform | Laser Cut Acrylic | solidworks: mounting platform.SLDPRT QTY: 1 |
|
| Pulley arm (left) | 3D Printing | solidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Pulley arm (right) | 3D Printing | solidworks: pulley arm.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Clamp | 3D Printing | solidworks: Clamp.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Sample holder | 3D Printing | solidworks: Sample holder.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Sample holder and tab- Tab | 3D Printing | solidworks: Tab.SLDPRT QTY: 2 per test Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim |
|
| Vertical adjust system- Inner slide | 3D Printing | solidworks: Inner slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
|
| Vertical adjust system- Outer slide | 3D Printing | solidworks: Outer slide.SLDPRT QTY: 1 Setting: Fast/0.2 mm layer height |
References
- 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 temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture. Physical Review X. 10, 041045 (2020).
- Zhao, X., et al. Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties. Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).
- Mzabi, S., Berghezan, D., Roux, S., Hild, F., Creton, C. A critical local energy release rate criterion for fatigue fracture of elastomers. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (21), 1518-1524 (2011).
- Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. Mechanochemical tools for polymer materials. Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).
- Hui, C. -Y., Jagota, A., Bennison, S. J., Londono, J. D. Crack blunting and the strength of soft elastic solids. Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Science. 459 (2034), 1489-1516 (2003).
- Zhang, B., Hutchens, S. B. On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids. Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).
- Lake, G. J., Yeoh, O. H. Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction. International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).
- Zhang, B., Shiang, C. -S., Yang, S. J., Hutchens, S. B. Y-shaped cutting for the systematic characterization of cutting and tearing. Experimental Mechanics. 59, 517-529 (2019).
- Rivlin, R. S., Thomas, A. G. Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing. Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).
- Elices, M., Guinea, G. V., Gómez, J., Planas, J. The cohesive zone model: Advantages, limitations and challenges. Engineering Fracture Mechanics. 69 (2), 137-163 (2002).
- Taylor, D. The Theory of Critical Distances. , Elsevier. London, UK. (2007).
- Williams, J. G. Stress at a distance fracture criteria and crack self-blunting in rubber. International Journal of Non-Linear Mechanics. 68, 33-36 (2015).
- Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. Progressive damage and rupture in polymers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).
- Long, R., Hui, C. -Y., Gong, J. P., Bouchbinder, E. The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales. Annual Review of Condensed Matter Physics. 12, 71-94 (2021).
- Gent, A. N., Wang, C.
- Chen, X., Nadiarynkh, O., Plotnikov, S., Campagnola, P. J. Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure. Nature Protocols. 7, 654-669 (2015).
- Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Measurements Science and Technology. 20 (6), 062001 (2009).
