Name: Production dun dispositif de mesure des souches avec une imprimante 3D améliorée (Vidéo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 17 s
Description: Découvrez la fabrication d'un capteur de mesure des déformations par impression 3D améliorée utilisant PDMS. Cette méthode sans connexion électrique permet d'étudier les microstructures dans l'électronique et les biopharmaceutiques.

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Ce travail a été soutenu financièrement par la National Science Foundation of China (Grant No. 51805009).

1. Assemblage du mécanisme d'amplification
<ol><li>Construire une plate-forme expérimentale comprenant une imprimante 3D améliorée, un indicateur de jauge de contrainte, un dispositif de conduite, un cadre de soutien, une barre d'aluminium, une lentille PDMS, un smartphone, des poids, un amplificateur imprimé ( Figure supplémentaire1), et une jauge de contrainte, comme le montre la figure 1.</li>
	<li>Fixez la hauteur de chaque couche dans l'imprimante à 0,05 mm pour le nylon et 0,2 mm pour l'ABS. Fixez le diamètre de la tête d'impression à 0,2 mm dans les deux cas. Fixer la température de la buse à 220 oC pour le nylon et à 100 oC pour l'ABS. Enfin, fixez la vitesse d'impression à 2 000 mm/min pour le nylon et à 3 500 mm/min pour l'ABS.</li>
	<li>Ajuster l'orientation de la tête d'extrusion sphérique de sorte que la buse métallique fait face à la plate-forme à basse température et imprime un contour pour assurer une extrusion normale, comme le montre la figure 2.</li>
	<li>Accrochez le nylon et l'ABS sur la colonne. L'extrémité avant doit entrer dans le récipient de bobine d'impression pour être fondue par la buse métallique.</li>
</ol>2. Assemblage du microscope PDMS
<ol><li>À l'aide d'un agitateur magnétique, mélanger le précurseur du PDMS et l'agent de durcissement pour obtenir un rapport de poids de 10:1.</li>
	<li>Placer le mélange dans le dégazeur pendant 40 min pour enlever les bulles et verser le mélange dégazé dans le récipient PDMS de la tête d'extrusion sphérique.</li>
	<li>Faites pivoter la tête d'extrusion sphérique et la plate-forme de sorte que la buse en plastique fait face à la plate-forme à haute température.</li>
	<li>Placez l'incrément de la buse en plastique à 50 l. Placez l'extrémité inférieure de l'appareil de pipette à 20 mm29 du moule en utilisant la rotation de la buse et le moteur stepper dans l'axe Z.</li>
	<li>Allumez la plaque chaude pour chauffer la plate-forme à haute température. La température de la plate-forme est contrôlée par un thermomètre à rayonnement infrarouge sans contact. REMARQUE : Cette étude a testé des températures de 140 oC, 160 oC, 180 oC, 200 oC, 220 oC et 240 oC.</li>
	<li>Pressez le récipient PDMS pour imprimer l'objectif PDMS.</li>
	<li>Refroidir l'objectif PDMS à température ambiante et l'enlever avec une pince à épiler en caoutchouc.</li>
	<li>Déterminer les paramètres géométriques de la lentille, y compris l'angle de contact, le rayon de courbure et le diamètre des gouttelettes, à l'aide d'un analyseur de forme tridimensionnel.</li>
</ol>3. Mesure de la souche pour les tests de chargement dans les groupes de contrôle et d'essai
<ol><li>Utilisez une barre en aluminium 6063 T83 comme faisceau en porte-à-faux. La longueur, la largeur et l'épaisseur du faisceau en porte-à-faux doivent être de 380 mm x 51 mm x 3,8 mm, respectivement. Fixer une extrémité à la table d'opération avec des boulons et des écrous.</li>
	<li>Dessinez une croix au centre et 160 mm de l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux.</li>
	<li>Pour enlever la couche d'oxyde sur le faisceau en porte-à-faux, polir sa surface avec du papier de verre fin avant de coller. La direction de broyage doit être d'environ 45 degrés de la direction de la grille de fil de la jauge de contrainte. Utilisez de la laine de coton imbibée d'acétone pour essuyer la surface du faisceau en porte-à-faux et la surface de la pâte de jauge de contrainte.</li>
	<li>Connectez le dispositif de conduite et l'indicateur de jauge de contrainte. Allumez le courant. Utilisez une jauge de contrainte montée sur la surface centrale de la barre d'aluminium à son extrémité fixe pour mesurer les changements de contrainte.</li>
	<li>Fixez le poids standard à l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux pour contrôler l'entrée de force concentrée. Lisez les données à l'aide d'un indicateur conventionnel de jauge de contrainte avec une méthode de connexion quart de pont.</li>
	<li>Remplacez la jauge de contrainte par les amplificateurs ABS et en nylon au même endroit.</li>
	<li>Fixez l'objectif PDMS sur la caméra du smartphone avec un capteur de 8 mégapixels à une distance de mise au point de 29 mm. Ajustez la longueur focale de la caméra jusqu'à ce qu'une image claire soit obtenue. Lisez le déplacement du pointeur à l'aide du microscope PDMS.</li>
	<li>Répétez les étapes 3.5 et 3.6, réglant la charge à 1 N, 2 N, 3 N, 4 N, et 5 N à chaque fois.</li>
</ol>4. Analyse des éléments finis
<ol><li>Établir des modèles d'éléments finis 3D des pièces en nylon et ABS pour la mesure de la souche (voir tableau des matériaux pour les logiciels utilisés). Importer le faisceau en porte-à-faux et le mécanisme d'amplification dans la bibliothèque matérielle du logiciel et simuler leurs positions de placement.</li>
	<li>Analyser les propriétés mécaniques du pointeur de mécanisme d'amplification sous l'action d'un faisceau en porte-à-faux.</li>
	<li>Générer des mailles pour une utilisation dans les modèles géométriques 3D en utilisant des éléments tétraèdres avec une taille d'élément fine. Affiner les charnières de flexion, en particulier la charnière entre le pointeur et les autres corps. REMARQUE : Le moduli jeune de l'élasticité utilisé pour l'aluminium, le nylon, et l'ABS étaient 69 GPa, 2 GPa, et 2.3 GPa, respectivement. Les ratios Poisson utilisés pour l'aluminium, le nylon et l'ABS étaient respectivement de 0,33, 0,44 et 0,394.</li>
	<li>Appliquer une force concentrée de 1 N au centre de l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux. Répéter l'opération avec 2 N, 3 N, 4 N et 5 N.</li>
</ol>

<ol><li>Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+micro-nuclear-mechanical+system+for+strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Radiation+Physics+and+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement.</a> Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).</li>
<li>Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+strain+rate+on+mechanical+properties+of+the+bamboo+material+under+quasi-static+and+dynamic+loading+condition%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition.</a> Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).</li>
<li>Mattana, G., Briand, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+printed+sensors+on+foil%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Recent advances in printed sensors on foil.</a> Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).</li>
<li>Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+micro-nuclear-mechanical+system+for+strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Radiation+Physics+and+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement.</a> Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).</li>
<li>Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Printed+strain+sensors+in+organic+coatings%3A+In+depth+analysis+of+sensor+signal+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).</li>
<li>Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Foil-integrated+2D+Optical+Strain+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Technology%22%5BJournal%5D)">Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors.</a> Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).</li>
<li>Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+measurement+of+3D+structured+nanodevices+by+EBSD%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD.</a> Ultramicroscopy. 184, 88(2018).</li>
<li>Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+reliability+of+twin+variant+analysis+in+Mg+alloys+by+in+situ+EBSD+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnesium+and+Alloys%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique.</a> Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).</li>
<li>Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+engineering+of+friction+between+graphene+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Tribology+International%22%5BJournal%5D)">Strain engineering of friction between graphene layers.</a> Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).</li>
<li>Shingo, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-range+measurement+of+Rayleigh+scatter+signature+beyond+laser+coherence+length+based+on+coherent+optical+frequency+domain+reflectometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry.</a> Journal of Optics Express. 24 (17), 19651(2016).</li>
<li>Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Strain+Fiber+Bragg+Gratings+for+Structural+Fatigue+Testing+of+Military+Aircraft%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Photonic+Sensors%22%5BJournal%5D)">High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft.</a> Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).</li>
<li>Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+investigation+of+a+sensitivity-enhanced+fiber+Bragg+Grating+sensor+for+micro-strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sensors+and+Actuators%22%5BJournal%5D)">Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement.</a> Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).</li>
<li>Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+FBG+based+displacement+transducer+for+small+soil+deformation+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).</li>
<li>Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+internal+strain+measurement+during+composite+manufacturing+using+optical+fibre+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors.</a> Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).</li>
<li>Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+image+correlation+%28DIC%29+for+measurement+of+strains+and+displacements+in+coarse%2C+low+volume-fraction+FRP+composites+used+in+civil+infrastructure%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure.</a> Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).</li>
<li>Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+Uncertainty+in+Digital+Image+Correlation+Technique+for+Strain+Measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%3A+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement.</a> Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).</li>
<li>Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+strain+mapping+of+GO+nanosheets+under+in+situ+TEM+tensile+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing.</a> Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).</li>
<li>Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+digital+image+correlation+%28DIC%29+to+sloshing+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+and+Lasers+in+Engineering%22%5BJournal%5D)">Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids.</a> Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).</li>
<li>Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+measurement+of+particle+reinforced+composites+at+microscale%3A+an+approach+towards+concurrent+characterization+of+strain+and+microstructure%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure.</a> Micron. , (2019).</li>
<li>Vogel, J. H., Lee, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+two-view+method+for+determining+strain+distributions+on+deformed+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Shaping+Technology%22%5BJournal%5D)">An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces.</a> Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).</li>
<li>Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin-film+flexible+sensor+for+omnidirectional+strain+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sensors+and+Actuators%22%5BJournal%5D)">Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements.</a> Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).</li>
<li>Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+stretchable+ionic+conducting+hydrogels+for+strain%2Ftactile+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors.</a> Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).</li>
<li>Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdevice+arrays+with+strain+sensors+for+3D+mechanical+stimulation+and+monitoring+of+engineered+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues.</a> Biomaterials. 172, 30-40 (2018).</li>
<li>Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh+electron+mobility+in+suspended+Graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Communications%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene.</a> Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).</li>
<li>Smith, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electromechanical+piezoresistive+sensing+in+suspended+graphene+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes.</a> Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).</li>
<li>Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+piezoresistivity+of+nanographene+films+for+strain+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing.</a> ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).</li>
<li>Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene-based+transparent+strain+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Graphene-based transparent strain sensor.</a> Carbon. 51, 236-242 (2013).</li>
<li>Boland, C. S., Khan, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensitive+electromechanical+sensors+using+viscoelastic+graphene+polymer+nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites.</a> Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).</li>
<li>Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+optical+lenses+by+inkjet+printing+and+heat-assisted+in+situ+curing+of+polydimethylsiloxane+for+smartphone+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005(2015).</li>
</ol>

Les auteurs ne déclarent pas d'intérêts contradictoires.

Le déplacement de sortie a évolué linéairement avec la force concentrée à l'extrémité libre du faisceau en porte-à-faux et était compatible avec les simulations FEA. La sensibilité des amplificateurs était de 36,55 à 0,53 m pour le nylon et de 36,03 à 1,34 m pour l'ABS. La sensibilité stable a confirmé la faisabilité et l'efficacité du prototypage rapide des capteurs de haute précision à l'aide de l'impression 3D. Les amplificateurs avaient une sensibilité élevée et étaient exempts d'interférence électromagnétique. En ou...

L'obtention de matériaux légers mais solides est particulièrement importante dans l'industrie moderne. Les propriétés des matériaux sont affectées lorsqu'ils sont soumis au stress, à la pression, à la torsion et aux vibrations de flexion pendant l'utilisation1,2. Ainsi, la mesure de la souche des matériaux est importante pour analyser leur durabilité et leur utilisation de dépannage. Ces mesures permettent aux ingénieurs d'analyser la durabilité des matériaux et les problèmes de production de dépannage. La méthode de mesure de contrainte la plus courante dans l'industrie utilise des capteurs de contrainte3. Les capteurs de papier d'aluminium traditionnels sont largement utilisés en raison de leur faible coût et de leur bonne fiabilité4. Ils mesurent les changements dans les signaux électriques et les convertissent en différents signaux de sortie5,6. Cependant, cette méthode laisse de côté les détails du profil de la souche dans l'objet mesuré et est sensible au bruit de l'interférence électromagnétique vibratoire avec des signaux analogiques. Le développement de méthodes précises, hautement répétables et faciles de mesure de la contrainte des matériaux est important dans l'ingénierie. Ainsi, d'autres méthodes sont à l'étude.
Ces dernières années, les nanomatériaux ont suscité beaucoup d'intérêt de la part des chercheurs. Pour mesurer la pression sur les petits objets, Osborn et coll.7,8 ont proposé une méthode pour mesurer la souche de nanomatériaux 3D à l'aide de rétrodiffusion électronique (EBSD). À l'aide de la dynamique moléculaire, Lina et coll.9 ont étudié l'ingénierie de la souche de frottement intercouche du graphène. Les mesures distribuées de la souche de fibre optique utilisant la spectroscopie de rétrodiffusion de Rayleigh (RBS) ont été employées couramment dans la détection de défaut et pour l'évaluation des dispositifs optiques en raison de leur résolution spatiale élevée et de sensibilité10. Grating fibre optique (FBG)11,12 capteurs de contrainte distribués ont été largement utilisés pour la mesure de la souche de haute précision13 pour leur sensibilité à la température et la souche. Afin de surveiller les changements de contrainte provoqués par le durcissement après injection de résine, Sanchez et autres14 ont incorporé un capteur de fibre optique dans une plaque de fibre de carbone d'époxy et ont mesuré le processus complet de contrainte. Le contraste différentiel d'interférence (DIC) est une méthode de mesure puissante de la déformation de champ15,16,17 qui est largement utilisée aussi bien18. En comparant les changements des niveaux gris de surface mesurés dans les images recueillies, la déformation est analysée et la souche calculée. Zhang et coll.19 ont proposé une méthode qui repose sur l'introduction de particules renforcées et d'images DIC pour évoluer à partir du DIC traditionnel. Vogel et Lee20 ont calculé les valeurs de contrainte à l'aide d'une méthode automatique à deux points de vue. Ces dernières années, cela a permis l'observation simultanée de la microstructure et la mesure des souches dans des composites renforcés de particules. Les capteurs de contrainte traditionnels ne mesurent efficacement la souche que dans une seule direction. Zymelka et coll.21 ont proposé un capteur de contrainte flexible omnidirectionnel qui améliore une méthode traditionnelle de jauge de contrainte en détectant les changements dans la résistance du capteur. Il est également possible de mesurer la souche à l'aide de substances biologiques ou chimiques. Par exemple, les hydrogels conducteurs ioniques sont une alternative efficace aux capteurs de contrainte/tactile en raison de leurs bonnes propriétés tendues et de la sensibilité élevée22,23. Le graphène et ses composites ont d'excellentes propriétés mécaniques et offrent une mobilité élevée du transporteur avec une bonne piézoresistivité24,25,26. Par conséquent, les capteurs de contrainte à base de graphène ont été largement utilisés dans la surveillance électronique de la santé de la peau, l'électronique portable, et d'autres domaines27,28.
Dans ce travail, une mesure conceptuelle de contrainte utilisant un microscope de polydimethylsiloxane (PDMS) et un système d'amplification est présentée. L'appareil est différent d'une jauge de contrainte traditionnelle parce qu'il ne nécessite pas de fils ou de connexions électriques. En outre, le déplacement peut être observé directement. Le mécanisme d'amplification peut être placé à n'importe quel endroit sur l'objet testé, ce qui augmente considérablement la répétabilité des mesures. Dans cette étude, un capteur et un amplificateur de contrainte ont été fabriqués par la technologie d'impression 3D. Nous avons d'abord amélioré l'imprimante 3D pour augmenter son efficacité pour nos besoins. Un dispositif d'extrusion sphérique a été conçu pour remplacer l'extrudeur monomatériau traditionnel contrôlé par le logiciel de tranchage pour compléter la conversion des buses métalliques et plastiques. La plate-forme de moulage correspondante a été modifiée, et le dispositif de détection de déplacement (amplificateur) et le dispositif de lecture (microscope PDMS) ont été intégrés.

<table><tbody><tr><td>Usine</td><td></td> de <td>produits électriques en plastique ABS Hengli dejian</td><td>Utilisé pour l’impression de fil de 1,75 mm de diamètre pour le mécanisme d’amplification</td></tr><tr><td>Aluminium 6063 T83 bar</td><td></td><td></td><td>La longueur, la largeur et l’épaisseur de la poutre en porte-à-faux sont de 380 mm, 51 mm et 3,8 mm.</td></tr><tr><td>ANSYS</td><td>ANSYS</td><td>ANSYS 14.5</td><td></td></tr><tr><td>CURA</td><td>Ultimaker</td><td>Cura 3.0</td><td>Slicing softare, en utilisant avec l’imprimante 3D améliorée</td></tr><tr><td>L’agent de durcissement</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS et l’agent de durcissement sont mélangés avec le rapport de poids de 10 : 1</td></tr><tr><td>Dispositif de conduite</td><td>Xinmingtian</td><td>E00</td><td></td></tr><tr><td>Imprimante 3D améliorée et accessoires</td><td></td><td></td><td>Fabriqué par moi-même. La plate-forme élévatrice sphérique rotative est adoptée. La plate-forme élévatrice sphérique est équipée d’une buse et d’une pipette, qui peuvent être commutées et imprimées librement. Avec une plate-forme d’impression rotative, la température de la plate-forme peut être librement contrôlée.</td></tr><tr><td>iPhone 6</td><td>Capteur Apple</td><td>MG4A2CH/A</td><td>de 8 mégapixels et la distance de mise au point équivalente est de 29 mm</td></tr><tr><td>Agitateur Magenetic</td><td>SCILOGEX</td><td>MS-H280-Pro</td><td></td></tr><tr><td>Nylon</td><td>Hengli dejian usine de produits électriques en plastique Utilisé</td><td></td><td>pour l’impression Fil de 1,75 mm de diamètre pour le mécanisme d’amplification</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>SYLGARDDC184</td><td>Une fois que le mélange visqueux est chauffé et durci, il peut être combiné avec le dispositif d’amplification de l’objectif du téléphone portable pour l’acquisition d’images.</td></tr><tr><td>Analyseur de forme</td><td>Gltech</td><td>SURFIEW 4000</td><td></td></tr><tr><td>Solidworks</td><td>Dassault Systems</td><td>Solidworks 2017</td><td>Aide à la modélisation</td></tr><tr><td>VISHAY jauge de contrainte</td><td>Vishay</td><td></td><td>Utilisé pour mesurer la déformation produite dans l’expérience.</td></tr><tr><td>Indicateur de jauge de contrainte VISHAY Acquisition</td><td>des</td><td></td><td>données de déformation Vishay.</td></tr></tbody></table>

production d'un dispositif de mesure des souches avec une imprimante 3d améliorée

Production of a Strain-Measuring Device with an Improved 3D Printer

Un capteur traditionnel de mesure de la souche doit être électrifié et sensible aux interférences électromagnétiques. Afin de résoudre les fluctuations du signal électrique analogique dans une opération traditionnelle de jauge de contrainte, une nouvelle méthode de mesure de contrainte est présentée ici. Il utilise une technique photographique pour afficher le changement de contrainte en amplifiant le changement du déplacement du pointeur du mécanisme. Un objectif visuel de polydiméthylsiloxane (PDMS) d'une longueur focale de 7,16 mm a été ajouté à une caméra pour smartphone afin de générer un groupe d'objectifs agissant comme un microscope pour capturer des images. Il avait une longueur focale équivalente de 5,74 mm. Styrène butadène acrylonitrile (ABS) et amplificateurs en nylon ont été utilisés pour tester l'influence de différents matériaux sur les performances du capteur. La production des amplificateurs et de l'objectif PDMS est basée sur une technologie d'impression 3D améliorée. Les données obtenues ont été comparées aux résultats de l'analyse des éléments finis (AFE) pour vérifier leur validité. La sensibilité de l'amplificateur ABS était de 36,03 à 1,34 m, et la sensibilité de l'amplificateur en nylon était de 36,55 à 0,53 m.

Lorsque la température de la plate-forme augmentait, le diamètre de la gouttelette et le rayon de courbure diminuaient, tandis que l'angle de contact augmentait (figure 3). Par conséquent, la longueur focale du PDMS a augmenté. Cependant, pour les températures de la plate-forme au-dessus de 220 oC, un temps de durcissement très court a été observé dans les gouttelettes, et elles ne pouvaient pas s'étendre dans une forme de plan-convexe. Cela peut être attribué à la zone de faible attachement...

Ce travail présente un capteur de mesure de contrainte composé d'un mécanisme d'amplification et d'un microscope polydiméthylsiloxane fabriqué à l'aide d'une imprimante 3D améliorée.

Production d'un dispositif de mesure des souches avec une imprimante 3D améliorée

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in ...

La fabrication en deux phases de liquide solide peut également être appliquée à la fabrication de matériaux de microsphère structurelle dans divers domaines d’étude, y compris les secteurs de l’électronique, de la biopharmaceutique, de l’énergie et de la défense. Ce système ne nécessite pas de fils ou de connexion électrique et permet de mesurer un large éventail d’applications liées à la déformation de la microstructure. Avant de commencer la procédure, construisez une plate-forme expérimentale qui comprend une imprimante 3D modifiée, un indicateur de jauge de contrainte, un dispositif de conduite, un cadre de soutien, une barre d’aluminium, une lentille PDMS, un smartphone, des poids, un amplificateur imprimé et une jauge de contrainte.Réglez la hauteur de la couche de nylon dans l’imprimante à 0,05 millimètre. Réglez le diamètre de la tête d’impression à 0,2 millimètre, et réglez la température de la buse à 220 degrés Celsius. Réglez la vitesse d’impression à 2000 millimètres par minute.Ajustez l’orientation de la tête d’extrusion sphérique de sorte que la buse métallique fait face à la plate-forme à basse température et imprimez un contour pour assurer une extrusion normale. Ensuite, accrochez le nylon sur la colonne. L’extrémité avant doit entrer dans le récipient de bobine d’impression pour être fondue par la buse métallique.Pour assembler le microscope PDMS, utilisez un agitateur magnétique pour mélanger un rapport de poids de 10 pour un précurseur pdms à la solution d’agent de séchage et de gazer le mélange pendant 40 minutes. Lorsque toutes les bulles ont été enlevées, verser le mélange dans le récipient PDMS de la tête d’extrusion sphérique et faire pivoter la tête d’extrusion sphérique et la plate-forme de sorte que la buse en plastique fait face à la plate-forme à haute température. Réglez l’incrément de buse en plastique à 50 microlitres et utilisez la rotation de la buse et le moteur stepper dans l’axe Z pour placer l’extrémité inférieure de l’appareil pipette à 20 millimètres du moule.Ensuite, chauffer la plate-forme à haute température et presser le récipient PDMS pour imprimer l’objectif PDMS. Lorsque l’objectif PDMS imprimé a refroidi à température ambiante, utilisez des pinces en caoutchouc pour l’enlever de l’imprimante. Pour effectuer une mesure de contrainte d’essai de chargement, utilisez des écrous et des boulons pour fixer une extrémité d’une barre 380 par 51 par 3,8 millimètres d’aluminium 6063-T83 à la table d’opération et dessiner une croix au centre et 160 millimètres de l’extrémité libre du faisceau en porte-à-faux.Pour enlever la couche d’oxyde sur le faisceau, polir la surface avec du papier de verre fin à un angle d’environ 45 degrés de la direction de la grille de fil de jauge de contrainte. Utilisez de la laine de coton trempée dans de l’acétone pour essuyer la surface du faisceau de porte-à-faux poncé et la surface de la pâte de jauge de contrainte. Connectez ensuite le dispositif de conduite et l’indicateur de jauge de contrainte et allumez la puissance.Ensuite, montez une jauge de contrainte sur la surface centrale de la barre d’aluminium à son extrémité fixe et fixez un poids standard à l’extrémité libre du faisceau en porte-à-faux pour contrôler l’entrée de force concentrée. Enregistrez une lecture de base à l’aide d’un indicateur conventionnel de jauge de contrainte à l’aide d’une méthode de connexion quart pont avant de remplacer la jauge de contrainte par un amplificateur en nylon. Fixez l’objectif PDMS sur un appareil photo pour smartphone avec un capteur de huit mégapixels à une distance de mise au point de 29 millimètres et ajustez la longueur focale de l’appareil jusqu’à ce qu’une image claire soit obtenue.Ensuite, utilisez le microscope PDMS pour lire le déplacement du pointeur. Pour effectuer une analyse d’éléments finis, importez le faisceau en porte-à-faux et le mécanisme d’amplification dans la bibliothèque matérielle du logiciel et simulez leurs positions de placement. Analyser les propriétés mécaniques du pointeur de mécanisme d’amplification sous l’action d’un faisceau en porte-à-faux et utiliser des éléments tétraèdres avec une taille d’élément fin pour générer des mailles pour une utilisation dans les modèles géométriques 3D.Ensuite, affiner les charnières flexure, en particulier la charnière entre le pointeur et les autres corps, et appliquer une force concentrée d’un newton au centre de l’extrémité libre du faisceau en porte-à-faux. À mesure que la température de la plate-forme augmente, le diamètre de la gouttelette et le rayon de courbure diminuent, et l’angle de contact augmente. Ici, une comparaison de la mesure expérimentale du déplacement avec les simulations FEA pour nylon est montrée, tandis que ce graphique illustre les écarts minimaux et maximaux entre les pentes pour abs.Dans cette expérience représentative, les sensibilités de mesure pour le nylon et l’ABS ont été déterminées. Il est difficile de contrôler la température de moulage de l’objectif PDMS. Nous utilisons un thermomètre à rayonnement infrarouge sans contact et une plate-forme à haute température pour nous assurer que les changements de température sont dans la tolérance.Cette méthode de fabrication à liquide solide peut également être appliquée à des études dans le domaine biopharmaceutique, en particulier pour la préparation de structures de microsphère.

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