הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

הפקה של התקן מדידת מתח עם מדפסת תלת-ממד משופרת

5.7K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/60177

⸱

30 בינואר 2020

 ,  , 
1Department of Materials Science and Mechanical Engineering, Beijing Technology and Business University

במאמר זה

סיכום

עבודה זו מציגה חיישן מדידה של מתח המורכב של מנגנון הגברה ומיקרוסקופ polydiמתיל siloxane מיוצר באמצעות מדפסת תלת-ממד משופרת.

תקציר

חיישן מדידה המסורתית צריך להיות מחושמל והוא פגיע הפרעה אלקטרומגנטית. כדי לפתור את התנודות באות החשמל האנלוגי בפעולת מד הזנים המסורתית, מוצגת כאן שיטת מדידה חדשה למדידת זנים. היא משתמשת בטכניקת צילום כדי להציג את שינוי המתח על-ידי הגברה של השינוי של התזוזה של המצביע של המנגנון. ויזואלית polydiמתיל siloxane (PDMS) עדשה עם אורך מוקד של 7.16 mm נוספה למצלמת הטלפון החכם כדי ליצור קבוצה עדשה מתנהג כמיקרוסקופ ללכוד תמונות. היה לו אורך מוקד שווה ערך של 5.74 מ"מ. מגברי אקרילוניטריל (ABS) ומגברים ניילון שימשו כדי לבחון את ההשפעה של חומרים שונים על ביצועי החיישן. הייצור של מגברים ו-PDMS עדשה מבוססת על טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית משופרת. הנתונים שהושגו הושוו עם התוצאות מניתוח האלמנטים הסופיים כדי לאמת את חוקיותן. הרגישות של מגבר ABS היה 36.03 ± 1.34 με/μm, ואת הרגישות של מגבר ניילון היה 36.55 ± 0.53 με/μm.

מבוא

השגת חומרים קלים אך חזקים במיוחד בתעשייה המודרנית. מאפייני החומרים מושפעים כאשר הם חשופים לחץ, לחץ, פיתול, וכיפוף רטטבמהלךהשימוש 1,2. לפיכך, מדידת המתח של חומרים חשוב לנתח את העמידות שלהם ולפתור שימוש. מדידות אלה מאפשרות למהנדסים לנתח את עמידות החומרים ולפתור בעיות בייצור. המדידה השכיחה ביותר שיטת מדידה בתעשייה משתמשת חיישנים זן3. חיישני רדיד מסורתיים נמצאים בשימוש נרחב בשל עלותו הנמוכה ואמינות טובה4. הם מודדים את השינויים אותות חשמליים ולהמיר אותם אותות פלט שונים5,6. עם זאת, שיטה זו משאירה את הפרטים של פרופיל המתח באובייקט הנמדד והוא חשוף לרעש מהפרעות אלקטרומגנטיות של הפרעה אלקטרומגנטית עם אותות אנלוגיים. פיתוח מדויק, מאוד לשחזור, וקלה חומרים מדידה שיטות חשוב בהנדסה. לכן, שיטות אחרות נחקרו.

בשנים האחרונות, נאנחומרים. התעניינו הרבה בחוקרים כדי למדוד את המתח על אובייקטים קטנים, אוסבורן ואח '7,8 הציע שיטה כדי למדוד את הנבג של 3d ננו באמצעות אלקטרון לפיזור (ebsd). שימוש בדינמיקה מולקולרית, לינה ואח '9 חקרה את הנדסת החיכוך הבין-שכבות של גראפן. סיבים אופטיים מבוזרים להתאמץ מדידות באמצעות ספקטרוסקופית לאחור ריילי (RBS) כבר בשימוש נרחב באיתור תקלות להערכת התקנים אופטיים בשל רזולוציה גבוהה מרחבית ורגישות10. פומפיה סיבים אופטיים (fbg)11,12 חיישנים מבוזרים מפוזרים כבר בשימוש נרחב למדידת דיוק גבוהה מדידה13 עבור הרגישות שלהם לטמפרטורה ולהתאמץ. על מנת לפקח על שינויי המתח שנגרמו על ידי ריפוי לאחר הזרקה שרף, סאנצ'ס ואח '14 מוטבע חיישן סיב אופטי לתוך צלחת פחמן אפוקסי סיבי למדוד את תהליך המתח המלא. ניגודיות הפרעות דיפרנציאליות (DIC) היא שיטת מדידה רבת עוצמה של דפורמציה של השדה15,16,17 הנמצא בשימוש נרחב גם כ-18. על-ידי השוואת השינויים ברמות האפורות של פני השטח הנמדד בתמונות שנאספו, הדפורמציה מנותח והזן מחושב. ג'אנג ואח '19 הציעה שיטה המסתמכת על הקדמה של חלקיקים מחוזקים ותמונות dic כדי להתפתח מ-dic המסורתי. ווגל ולי20 ערכי מאמץ מחושבים באמצעות שיטה אוטומטית בעלת שתי תצוגות. בשנים האחרונות, זה איפשר התבוננות מיקרו מבנה סימולטני ומדידת מאמץ הקומפוזיטורית מחוזק חלקיקים. חיישני מאמץ מסורתיים רק ביעילות למדוד זן בכיוון אחד. Zymelka ואח '21 הציע חיישן זן גמיש רב כיווני המשפר את מד המתח המסורתי השיטה על ידי זיהוי שינויים התנגדות חיישן. ניתן גם למדוד את המתח באמצעות חומרים ביולוגיים או כימיים. לדוגמה, הידרו-ג'ל מוליך ביונית הם חלופה יעילה למתח/חיישנים מישוש עקב תכונות מתיחה טובה שלהם רגישות גבוהה22,23. גראפן והקומפוזיטורית שלה יש תכונות מכניות מעולה ולספק ניידות הספק גבוה יחד עם piezoresistivity טוב24,25,26. כתוצאה מכך, מבוסס גראפן חיישנים להתאמץ כבר בשימוש נרחב ניטור בריאות העור האלקטרוני, אלקטרוניקה לבישים, ושדות אחרים27,28.

בעבודה זו, מדידה מאמץ קונספטואלי באמצעות מיקרוסקופ polydiמתיל siloxane (PDMS) ומערכת הגברה מוצג. המכשיר שונה מד זן מסורתי מכיוון שהוא אינו דורש חוטים או חיבורי חשמל. יתר על כן, העקירה ניתן לצפות ישירות. מנגנון הגברה ניתן למקם בכל מיקום על האובייקט נבדק, אשר מגדיל מאוד את החזרה של המידות. במחקר זה, חיישן ומגבר מאמץ נעשו על ידי טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית. שיפרנו לראשונה את מדפסת תלת-ממד כדי להגביר את יעילותה לדרישות שלנו. מכשיר שחול כדורי תוכנן להחליף את הבלטת ממד המסורתי היחיד שנשלט על-ידי תוכנת הפריסה כדי להשלים את ההמרה של חרירי המתכת והפלסטיק. פלטפורמת היציקה המתאימה השתנתה, והמכשיר לחישה (מגבר) ומכשיר הקריאה (מיקרוסקופ PDMS) שולבו.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

1. הרכבת של מנגנון הגברה

  1. לבנות פלטפורמה ניסיונית כולל מדפסת תלת-ממד משופרת, מד מתח מחוון, התקן נהיגה, מסגרת תמיכה, בר אלומיניום, עדשה PDMS, טלפון חכם, משקולות, מגבר מודפס (משלים איור 1), מד זן, כפי שמוצג באיור 1.
  2. הגדר את הגובה של כל שכבה במדפסת ב 0.05 מ"מ עבור ניילון ו 0.2 mm עבור ABS. הגדר את קוטר ראש ההדפסה ל 0.2 מ"מ בשני המקרים. הגדר את טמפרטורת הזרבובית עד 220 ° צ' עבור ניילון ו 100 ° c עבור ABS. לבסוף, להגדיר את מהירות ההדפסה ל 2,000 mm/min עבור ניילון ו 3,500 mm/min עבור ABS.
  3. להתאים את הכיוון של הראש ההבלטה כדורי כך זרבובית המתכת פונה לפלטפורמה בטמפרטורה נמוכה ולהדפיס מתאר כדי להבטיח שחול נורמלי, כפי שמוצג באיור 2.
  4. תלו את הניילון ואת ABS על הטור. החזית חייבת להיכנס מיכל סליל ההדפסה להמיס על ידי זרבובית המתכת.

2. הרכבה של מיקרוסקופ PDMS

  1. באמצעות שטירר מגנטי, לערבב את הקודמן PDMS ואת הסוכן לריפוי כדי לקבל יחס משקל של 10:1.
  2. מניחים את התערובת לתוך המיסיג של 40 דקות כדי להסיר בועות ויוצקים את התערובת המגנטיות לתוך מיכל PDMS של הראש ההבלטה כדורי.
  3. לסובב את הראש ההבלטה כדורי ואת הפלטפורמה כך זרבובית פלסטיק פונה לפלטפורמה בטמפרטורה גבוהה.
  4. הגדר את התוספת זרבובית פלסטיק ל 50 μL. מניחים את הקצה התחתון של המכשיר הצינורות 20 מ"מ29 הרחק מן העובש באמצעות סיבוב זרבובית ואת מנוע stepper ב-Z ציר.
  5. הפעל את הצלחת החם כדי לחמם את פלטפורמת הטמפרטורה הגבוהה. הטמפרטורה של הפלטפורמה נשלטת על ידי מדחום של קרינה אינפרא אדום ללא מגע.
    הערה: מחקר זה בדק טמפרטורות של 140 ° c, 160 ° c, 180 ° צ', 200 ° c, 220 ° c, ו-240 ° c.
  6. לחץ על הגורם המכיל של PDMS כדי להדפיס את עדשת PDMS.
  7. מגניב עדשה PDMS לטמפרטורת החדר ולהסיר אותו עם פינצטה גומי.
  8. קבעו את הפרמטרים הגיאומטריים של העדשה, כולל זווית המגע, העקמומיות רדיוס וקוטר ה-droplet, בעזרת מנתח צורה תלת-מימדי.

3. מדידת מדידה לטעינת בדיקות בקבוצות הבקרה והבדיקה

  1. השתמש בסרגל עשוי אלומיניום 6063 T83 כמו קרן הזיז. אורך, רוחב, ועובי של קרן הזיז צריך להיות 380 mm x 51 mm x 3.8 mm, בהתאמה. תקן קצה אחד לטבלת ההפעלה עם בריחים ואגוזים.
  2. צייר צלב במרכז ו 160 מ"מ מהקצה החופשי של קרן הזיז.
  3. כדי להסיר את שכבת תחמוצת על קרן הזיז, להבריק את המשטח שלה עם נייר זכוכית עדין לפני ההדבקה. הכיוון לטחינת צריך להיות על 45 ° מכיוון הרשת מד המתח תיל. השתמש צמר כותנה ספוגה אצטון לנגב את פני השטח של קרן הזיז ואת פני השטח של מד להתאמץ להדביק.
  4. חבר את המכשיר המניע את מחוון מד המתח. . הפעל את החשמל השתמש במד זן רכוב על פני השטח המרכזי של סרגל האלומיניום בקצה הקבוע שלה כדי למדוד את שינויי המתח.
  5. תקן את המשקל הסטנדרטי לקצה החופשי של קרן הזיז כדי לשלוט בקלט הכוח המרוכז. קרא את הנתונים באמצעות מחוון מד מתח קונבנציונלי עם שיטת חיבור של רבע גשר.
  6. החלף את מד המתח באמצעות ה-ABS ומגבר הניילון באותו מיקום.
  7. צרף את העדשה PDMS אל מצלמת הטלפון החכם עם חיישן 8 מגה פיקסל במרחק מיקוד של 29 מ"מ. כוונן את אורך המוקד של המצלמה עד שמתקבלת תמונה ברורה. קראו את ההזחה של המצביע בעזרת המיקרוסקופ PDMS.
  8. חזור על שלבים 3.5 ו-3.6, הגדרת הטעינה ל-1 N, 2 N, 3 N, 4 N ו-5 N בכל פעם.

4. ניתוח האלמנט הסופי

  1. ליצור מודלים של אלמנט סופי תלת-ממד של ניילון ו-ABS חלקים עבור מדידת המתח (ראה טבלת חומרים עבור תוכנה בשימוש). יבא את קרן הזיז ואת מנגנון הגברה לתוך ספריית החומרים של התוכנה והדמה את עמדות המיקום שלהם.
  2. לנתח את התכונות המכאניות של מצביע מנגנון הגברה תחת הפעולה של קרן שלוחה.
  3. יצירת רשתות שינוי לשימוש במודלים גיאומטריים תלת-ממדיים באמצעות אלמנטים טדרדרריים עם גודל אלמנט משובח. מקד את צירי ה-flexure, במיוחד את הציר שבין המצביע לבין הגופים האחרים.
    הערה: מודוללי הצעיר של אלסטיות המשמש אלומיניום, ניילון, ו-ABS היו 69 ממוצע ציונים, 2 ציונים, ו 2.3 ציונים, בהתאמה. היחס הפואסון המשמש לאלומיניום, ניילון, ו-ABS היו 0.33, 0.44 ו0.394, בהתאמה.
  4. החלת כוח מרוכז של 1 N למרכז הקצה החופשי של קרן הזיז. חזור עם 2 N, 3 N, 4 N ו-5 N.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

כאשר טמפרטורת הפלטפורמה גדלה, קוטר ה-droplet והעקמומיות הצטמצמה, ואילו זווית המגע גברה (איור 3). לפיכך, אורך המוקד של ה-PDMS עלה. עם זאת, עבור טמפרטורות פלטפורמה מעל 220 ° c, זמן ריפוי קצר מאוד נצפתה בטיפות, והם לא יכלו להאריך לתוך צורה קמורה מטוס. זה יכול להיות מיוחס לאזור ההחזקה הנמוכה בעת שמירה על מצלמת הטלפון החכם. לכן, רק עדשות רכות שנוצרו ב-220 ° c שימשו כמגהרים בכל הבדיקות. אורך המוקד של העדשה PDMS היה 7.16 מ"מ עבור כוח אופטי של 140 m-1. קוטר ה-droplet היה 2.831 מ"מ וזווית ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

העקירה פלט התפתחו בצורה קווית עם הכוח מרוכז בקצה החופשי של קרן הזיז והיה עקבי עם הסימולציות המציעות. הרגישות של מגברים היה 36.55 ± 0.53 με/μm עבור ניילון 36.03 ± 1.34 με/μm עבור ABS. רגישות יציבה אישר את הכדאיות ואת האפקטיביות של אבי טיפוס מהירה של חיישנים בדיוק גבוהה באמצעות הדפסה תלת-ממדית. הגברים היו בעלי רגישות גבוהה והיו חופשיים מהפרעות אלקטרומגנטיות. בנוסף, היה להם מבנה פשוט, נפח קטן, ומשקל נמוך. יש להגדיר חומרים שונים באופן שונה בתהליך ההדפסה בהתבסס על משתנים מרובים, כולל עובי השכבה, קוטר החרירים וקצב ההזנה. הערכי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אינם מצהירים על אינטרסים סותרים.

תודות

עבודה זו היתה נתמכת כספית על ידי הקרן הלאומית למדע של סין (גרנט No. 51805009).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
מוצרי חשמל מפלסטיק ABSHengli dejianמשמש להדפסת חוט בקוטר 1.75 מ"מ למנגנון הגברה
אלומיניום 6063 T83 ברהאורך, הרוחב והעובי של קרן השלוחה הם 380 מ"מ, 51 מ"מ ו-3.8 מ"מ.
ANSYSANSYSANSYS 14.5
CURAUltimakerCura 3.0חיתוך softare, תוך שימוש עם סוכן הריפוי המשופר של מדפסת התלת מימד
Dow CorningPDMS וחומר ריפוי מעורבבים עם יחס המשקל של 10:1
מכשיר נהיגהXinmingtianE00
מדפסת תלת מימד משופרת ואביזריםנוצר בעצמי. פלטפורמת ההרמה הכדורית הסיבובית מאומצת. פלטפורמת ההרמה הכדורית מצוידת בזרבובית ופיפטה, הניתנת להחלפה ולהדפסה בחופשיות. עם פלטפורמת הדפסה סיבובית, ניתן לשלוט באופן חופשי על טמפרטורת הפלטפורמה.
אייפון 6AppleMG4A2CH/Aחיישן 8 מגה-פיקסל ומרחק המיקוד המקביל הוא 29 מ"מ
מערבל MageneticSCILOGEXMS-H280-Pro
ניילוןHengli dejian פלסטיק מוצרי חשמל במפעלמשמש להדפסת חוט בקוטר 1.75 מ"מ למנגנון הגברה
PDMSDow CorningSYLGARDDC184לאחר חימום והתקשות התערובת הצמיגה, ניתן לשלב אותה עם מכשיר הגברת העדשות של הטלפון הנייד לרכישת תמונה.
מנתח צורותGltechSURFIEW 4000
SolidworksDassault SystemsSolidworks 2017סיוע למידול
מד מתח VISHAYVishayמשמש למדידת המתח המיוצר בניסוי.
אינדיקטור מד מתח VISHAYרכישת נתוני מתחVishay
מפעל .

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

PDMSABS
הפקה של התקן מדידת מתח עם מדפסת תלת-ממד משופרת
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.