Method Article

ביצוע בדיקות חיתוך בצורת Y המותקנות במיקרוסקופ

DOI:

10.3791/64546

January 20th, 2023

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חיתוך בצורת Y מודד קשקשי אורך רלוונטיים לשבר ואנרגיות בחומרים רכים. מנגנונים קודמים תוכננו למדידות ספסל. פרוטוקול זה מתאר את הייצור והשימוש במנגנון המכוון את ההתקנה אופקית ומספק את יכולות המיקום העדינות הדרושות לצפייה באתר , בתוספת כימות כשלים, באמצעות מיקרוסקופ אופטי.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

חיתוך בצורת Y הוכח לאחרונה כשיטה מבטיחה שבאמצעותה ניתן להבין את סולם אורך הסף ואנרגיית הכשל של חומר, כמו גם את תגובת הכשל שלו בנוכחות אנרגיית עיוות עודפת. מנגנון הניסוי ששימש במחקרים אלה היה בכיוון אנכי ודרש צעדים מסורבלים כדי להתאים את הזווית בין הרגליים בצורת Y. הכיוון האנכי אוסר על ויזואליזציה במיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים. פרוטוקול זה מציג מנגנון חיתוך בצורת Y המורכב אופקית מעל שלב קיים במיקרוסקופ הפוך, ניתן לכוונן אותו בשלושה ממדים (X-Y-Z) כך שיתאים לשדה הראייה של המטרה, ומאפשר שינוי קל של הזווית בין הרגליים. שתי התכונות האחרונות חדשות עבור טכניקה ניסיונית זו. המנגנון המוצג מודד את כוח החיתוך בדיוק של 1 mN. בעת בדיקת פולידימתילסילוקסאן (PDMS), חומר הייחוס לטכניקה זו, נמדדה אנרגיית חיתוך של 132.96 J/m 2 (זווית רגל של 32°, טעינה מראש של 75 גרם) ונמצא כי היא נופלת בטעות של מדידות קודמות שנלקחו עם מערך אנכי (132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2). הגישה חלה על חומרים סינתטיים רכים, רקמות או ביו-ממברנות ועשויה לספק תובנות חדשות לגבי התנהגותם במהלך כישלון. רשימת החלקים, קבצי CAD וההוראות המפורטות בעבודה זו מספקים מפת דרכים ליישום קל של טכניקה רבת עוצמה זו.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מכניקת הרצף הלא ליניארי סיפקה עדשה קריטית שדרכה ניתן להבין את ריכוז האנרגיה המוביל לכשל במוצקים רכים1. עם זאת, החיזוי המדויק של כשל זה דורש גם תיאורים של המאפיינים המיקרו-מבניים התורמים ליצירת פני שטח חדשים בקצה הסדק 2,3. שיטה אחת לגשת לתיאורים כאלה היא באמצעות הדמיה באתרו של קצה הסדק במהלך כישלון 4,5. עם זאת, קהות סדקים בבדיקות שבר טיפוסיות בשדה רחוק הופכת את רכישת הנתונים באתרם למאתגרת על ידי פיזור החומר המעוות מאוד, שעשוי להיות מחוץ לשדה הראייה של המיקרוסקופ6. חיתוך בצורת Y מציע חלופה ייחודית להדמיה מיקרו-מבנית מכיוון שהוא מרכז את האזור של עיוות גדול בקצה להב7. יתר על כן, עבודות קודמות של הקבוצה שלנו מראות כי גישה ניסיונית ייחודית זו יכולה לספק תובנה לגבי ההבדלים בתגובת הכשל בין קריעה בשדה רחוק לבין תנאי טעינה בתיווך מגע7.

שיטת החיתוך בצורת Y המשמשת במנגנון המוצג כאן תוארה לראשונה לפני עשרות שנים כשיטת חיתוך לגומי טבעי8. השיטה מורכבת מחיתוך דחיפה של להב קבוע דרך פיסת בדיקה טעונה מראש בצורת Y. בהצטלבות של האות "Y" נמצא קצה הסדק, שנוצר לפני הבדיקה על-ידי פיצול חלק מחתיכה מלבנית לשתי "רגליים" שוות (איור 1B ואיור 2D). היתרונות העיקריים של שיטת חיתוך זו כוללים הפחתת תרומות החיכוך לאנרגיית החיתוך הנמדדת, גיאומטריית הלהב המשתנה (כלומר, אילוץ של גיאומטריית קצה הסדק), בקרת קצב הכשל (באמצעות קצב התזוזה של הדגימה), וכוונון נפרד של החיתוך, C וקריעה, T, תרומות אנרגיה לסך האנרגיה G חתך (כלומר, שינוי אנרגיית הכשל מעבר לסף חיתוך)8. התרומות האחרונות באות לידי ביטוי פשוט וסגור לאנרגיית החיתוך9

figure-introduction-1 Eqn (1)

המשתמש בפרמטרים שנבחרו בניסוי, כולל עובי דגימה, t, מאמץ רגל ממוצע, , כוח טעינה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, figure-introduction-2θ. כוח החיתוך, fcut, נמדד באמצעות המנגנון כמפורט ב- Zhang et al.9. יש לציין כי המנגנון המוצג כאן כולל מנגנון חדש, פשוט ומדויק לכוונון זווית הרגל, θ, ולהבטחת ריכוז הדגימה. בעוד ששתי התכונות קריטיות להתקנה המותקנת במיקרוסקופ, המנגנון עשוי להועיל גם ליישומים אנכיים עתידיים של מבחן החיתוך בצורת Y על ידי הגדלת קלות השימוש.

ההתקדמות בקביעת קריטריוני הכשל המתאימים למוצקים רכים נמשכת מאז ההצלחה המוקדמת של גיאומטריות שבר בלתי תלויות מדגם שהוצגו על ידי ריבלין ותומס10. נעשה שימוש בקצבי שחרור אנרגיה קריטיים10, חוקי אזור מלוכדים 11, וצורות שונות של גישות מתח או אנרגיה מרחוק12,13,14. לאחרונה, ג'אנג והאצ'נס מינפו את הגישה השנייה, והראו כי חיתוך בצורת Y עם להבי רדיוס קטנים מספיק יכול להניב תנאי כשל סףלשבר רך 7: אנרגיית כשל סף וסולם אורך סף לכשל שנע בין עשרות למאות ננומטרים בפולידימתילסילוקסאן הומוגני ואלסטי מאוד (PDMS). תוצאות אלה שולבו עם מידול רצף ותורת קנה מידה כדי לפתח קשר בין חיתוך וקריעה בחומרים אלה, ובכך הדגימו את התועלת של חיתוך בצורת Y למתן תובנות לגבי כל המצבים של כשל רך. עם זאת, התנהגותם של סוגים חומריים רבים, כולל חומרים מפזרים ומרוכבים, עדיין לא נחקרה. צפוי כי רבים מהם יציגו השפעות הנשלטות על ידי מיקרו-מבנים בסקאלות אורך מעל אורך הגל של האור הנראה. לכן, במחקר זה תוכנן לראשונה מנגנון המאפשר אפיון חזותי צמוד של השפעות אלה במהלך חיתוך בצורת Y (למשל, בחומרים מרוכבים, כולל רקמות רכות, או בתהליכי פיזור, הצפויים בסקאלות אורך מיקרומטר עד מילימטר15).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. התאמה וייצור של חלקים הניתנים לשינוי ומתכלים

  1. השתמשו בחותך לייזר או במדפסת תלת-ממד כדי לייצר לשוניות ABS או אקריליק חד-פעמיות שמתאימות לרוחב רגלי הדגימה, B1 ו-B2 (7.5 מ"מ x 7.5 מ"מ עבור דגימה של 1.5 ס"מ x 7 ס"מ x 3 מ"מ) (איור 1B ואיור 2D). יש צורך בשתי כרטיסיות לכל מבחן, אחת לכל רגל.
  2. תפס סכין גילוח
    הערה: המידות המדויקות של תפס סכין הגילוח הנדרש תלויות בעומק סכין הגילוח שבו נעשה שימוש.
    1. שנה את עיצוב ה- CAD (ראה רשימת חומרים) תפס להב. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 1) על-ידי שינוי רוחב בסיס התפס כך שהמרחק מקצה סכין הגילוח שנבחר לחלק האחורי של התפס הוא 30.35 מ"מ (איור 1D). התאמה זו שומרת את קצה הלהב ישירות מתחת לנקודת הציר (איור 1E) של מנגנון כוונון הזווית (איור 1A ואיור 2A) המשמש לכוונון הזווית בין הרגליים.
      הערה: המכשיר יכול להחזיק להבים בעומק של 8-20 מ"מ.
    2. באמצעות הגדרות עדינות, הדפס בתלת-ממד את תפס סכין הגילוח (איור 1D). עקב שגיאות הדפסה בתלת-ממד, ייתכן שתפס סכין הגילוח לא יתאים להדפסה. כדי לתקן זאת, השתמש בנייר זכוכית או בקובץ דק כדי להסיר חומר מגבו של תפס סכין הגילוח עד שניתן יהיה להכניס אותו ולהסיר אותו מהחריץ שלו בתושבת תפס הלהב ביד, אך הוא עדיין הדוק במהלך החיתוך.
  3. שנה את מידות מחזיק הדגימה (איור 1C) באמצעות מחזיק הדגימה של קובץ העיצוב CAD. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 2) כדי להתאים לפתיחת שלב המיקרוסקופ הספציפי (איור 2B). כדי להבטיח שהמנגנון יוכל להשתמש בטווח התנועה המלא שלו, חשוב שהחלל הפנימי של המחזיק יישאר גדול ככל האפשר.
  4. מחזיק תא טעינה
    הערה: תאי עומס מסוג כיפוף מגיעים בגיאומטריות רבות. המיקום שבו יש להרכיב את חיישן העומס (השקופית הפנימית, איור 1E) ידרוש התאמה בהתאם לתא העומס שנבחר.
    1. התאם את הממדים הבאים בשקופית הפנימית (איור 1E) כדי להתאים לתא העומס הספציפי: 1) מיקום חורי ההרכבה (כרגע שני חורי M3 עם מרחק של 6 מ"מ ממרכז למרכז); 2) המרחק בין קרן תא העומס לבין מישור ההחלקה הפנימי, בהתאם לסטייה המרבית של קרן תא העומס (כיום ב -3 מ"מ); ו-3) הגובה והרוחב כדי להתאים לגיאומטריית תא עומס (כיום 35 מ"מ ו-12.1 מ"מ, בהתאמה).
      הערה: טווח אורך תאי העומס שניתן להשתמש בו מבלי להפריע למערכת הכוונון האנכי (איור 1E ואיור 2A) הוא 10-63 מ"מ. אם גודל תא העומס נמצא מחוץ לטווח הזה, חלופה היא להסיר את מערכת כוונון הגובה או לעצב מחדש/להאריך את זרועות הגלגלת (איור 1A).
  5. עצבו מחדש, תוך שימוש בקובצי CAD המתאימים, את פלטפורמת ההרכבה וזרועות המסגרת (איור 1A) כך שיתאימו לשלב המיקרוסקופ/מיקרוסקופ הספציפי שבו נעשה שימוש. באופן ספציפי, זרועות המסגרת (זרוע מסגרת. SLDPRT, קובץ קידוד משלים 3) ייתכן שיהיה צורך לשנות כדי להקל על ההתקשרות. גובה זרועות הגלגלת (איור 1A) (זרוע הגלגלת. SLDPRT, קובץ קידוד משלים 4 וגלגלת arm_Mirror.SLDPRT, קובץ קידוד משלים 5) עשויים גם הם להיות נחוצים לשינוי בהתאם לגבהים של מישור חורי ההרכבה של המיקרוסקופ והמישור העליון של שלב XY של המיקרוסקופ.

2. הרכבה מכנית

  1. לאחר שכל רכיבי המיקרוסקופ, תא העומס, סכין הגילוח והדגימה שונו כראוי, ייצרו את כל הרכיבים ובנו את המנגנון (איור 2A). הרכיבים כוללים חלקי מדף מודפסים בתלת-ממד, בחיתוך לייזר ובמסחריות. רשימה מפורטת של חלקים ניתנת בטבלת החומרים. שרטוטי הרכבה ממוחשבים של כל החלקים והרכבת המכשירים זמינים בקבצי קידוד משלימים 1-17.
  2. כדי להרכיב את תא הטעינה, חברו תחילה את תושבת תפס הלהב לתא הטעינה (איור 1E). חברו את המכלול הזה לשקופית הפנימית של מערכת הכוונון האנכי (איור 1E ואיור 2A). חברו את המערכת המשולבת של תושבת תפס הלהב, תא הטעינה וההחלקה הפנימית של מערכת הכוונון האנכי לתוך ההחלקה החיצונית של מערכת הכוונון האנכי (איור 1E) המותקנת בתחתית מנגנון כוונון הזווית (איור 1A ואיור 2A).
    הערה: תאי עומס מיקרו הם שבירים. יש לנקוט משנה זהירות בעת הטיפול בתא העומס כדי למזער את הכוחות המופעלים עליו מחוץ לבדיקה, במיוחד כוחות בכיוון מדידת העומס.

3. הרכבה חשמלית

  1. הגדר את תא הטעינה ואת מערכת רכישת הנתונים. בנו מעגל הגברה לפי הסכמה (איור 1F, סכמת מעגל הגברה. SchDoc [קובץ קידוד משלים 18], ומעגל הגברה PCB. PcbDoc [קובץ קידוד משלים 19]). חבר את אות הפלט ישירות למערכת איסוף נתונים עם טווח קלט של 0-5 וולט. חברו את רכיבי המעגל לפי איור 1G.
  2. כיול תא העומס על ידי הצבת משקל של כמות ידועה על קרן הסטייה ורישום פלט המתח בקוד הכיול (calibrate_ni_daq.mlapp, קובץ קידוד משלים 20). חזור על תהליך זה לפחות פי 5 עבור משקלים שונים של כמות ידועה.
  3. חשב את קבוע כיול תא העומס על-ידי התאמת נתוני המשקל לעומת המתח הידועים לקו. הזן ערך כיול זה בקוד איסוף הנתונים (collect_data.mlapp, קובץ קידוד משלים 21).
    הערה: הגישה לרכישת נתונים תלויה בסוג תא הטעינה שנבחר. במחקר זה, נעשה שימוש בתא עומס סטייה עם קיבולת מדורגת מקסימלית של 0.5 N, 0.05% תפוקה מדורגת (R.O.) חזרה מקסימלית, ו 0.03% R.O. היסטרזיס. אות הפלט ~10 mV מוגבר כדי לאפשר שימוש במערכת מסחרית לרכישת נתונים (DAQ) (טווח קלט של -5 עד 5 וולט, רזולוציה של 16 סיביות). כתוצאה מכך, התקבלה רזולוציית כוח עדינה מ -1 mN בעת איסוף נתונים בקצב של 20 הרץ לאחר החלת מסנן חציון מתגלגל.

4. הרכבה של מכשיר

  1. לאחר בניית המכשיר והגדרת תא העומס ומערכת איסוף הנתונים, החלף את מחזיק השקופיות המקורי המותקן על הבמה במחזיק הדגימה המותאם אישית.
  2. חברו את המכלול למיקרוסקופ. השתמש בחורי הרכבה על פני השטח העליונים של המיקרוסקופ אם זמינים.
  3. קבעו את זווית החיתוך על-ידי שחרור הזווית, התאמת בורג האגודל ולאחר מכן הזזת השקופית הליניארית (איור 1A). קבעו את הזווית לאחר מדידתה באמצעות מדיד (איור 2A) והדקו את בורג האגודל של התאמת הזווית. ניתן לכוונן את הזווית בין רגל לבין מישור האמצע של הדגימה, θ, בין 8°-45° (איור 1B).
  4. הציבו שתי גלגלות אנכיות מאחורי המנגנון.

5. הכנת מדגם

  1. מידות לדוגמה: הכן מדגם מלבני דק (לדוגמה, 1.5 ס"מ x 7 ס"מ x 3 מ"מ) של PDMS (ראה טבלת חומרים) על ידי חיתוכו מיריעה גדולה יותר או באמצעות תבנית במידות הנכונות. הממדים עשויים להשתנות, אך מומלץ להתחיל ברוחב של 1.5 ס"מ או פחות עבור מדגם בעובי של 3 מ"מ ומטה.
  2. חיתוך הרגליים: בעזרת סכין גילוח, חתכו את הדגימה 3 ס"מ לאורך קו האמצע כדי ליצור דגימה בצורת Y (איור 1B). אורך זה עשוי להשתנות, אך הרגליים צריכות להיות ארוכות מספיק כדי להכיל את הכרטיסיות אך קצרות מספיק כדי להשאיר דגימה לא חתוכה למדידה.
  3. סימון מדידת מאמץ: בעזרת סמן או דיו, הניחו שני סימנים, ממורכזים ומופרדים בכ-1 ס"מ, על כל אחת מהרגליים הדקות (איור 2D) ועל גוף הדגימה (שש בסך הכל) כדי לאפשר מדידה של המתיחה המיושמת בכל אחת משלוש רגלי הדגימה תחת עומס.
  4. חיבור הלשוניות: השתמשו בדבק ציאנואקרילט דמוי דבק כדי לחבר לשונית מודפסת בתלת-ממד או חתוכה בלייזר (שלב 1.1) לסוף כל רגל (איור 1B ואיור 2D).
  5. הכינו את קו המתח: מדדו וחתכו שני אורכים של חוט דיג דק. יש צורך בכ-30 ס"מ של קו לניתוב פנימי דרך המנגנון; הוסף עוד לפי הצורך כדי לנתב את הקו לקבוצה החיצונית של הגלגלות (שלב 4.4). מחברים פלטות שקילה של 5 גרם לקצה הקווים העוברים דרך הגלגלות החיצוניות וקושרים את הקצה השני ללשונית בכל רגל.

6. הרכבה לדוגמה

הערה: יש לנקוט משנה זהירות במהלך שלב זה כדי להבטיח שהדגימה לא תיגע במטרה של המיקרוסקופ כדי למנוע פגיעה בו. זה עשוי לעזור להתאים את המטרה ואת שלב המיקרוסקופ כדי ליצור מקום רב ככל האפשר עבור הרכבה דגימה.

  1. הדקו את בסיס הדגימה באמצעות בורג האגודל של מחזיק הדגימה (איור 1C).
  2. נתב את הקו של כל רגל דרך כל צד של מערכת הגלגלות (איור 1A ואיור 2A). צלם תמונה של הדגימה מלמעלה כאשר הדגימה נמצאת תחת משקל זניח על ידי החזקת מצלמה כנגד החלק התחתון של מנגנון התאמת הזווית. ודא שהמצלמה מקבילה למישור הדגימה כדי למזער את אפקטי הפרספקטיבה.
  3. הוסף את משקל ההעמסה הרצוי של 75 גרם לשני קצוות קו הדיג ליד הגלגלות החיצוניות. הגדל כמות זו ל- 150 גרם או הקטן אותה ל- 50 גרם כדי לשנות את תרומת הקריעה במידת הצורך עבור חומר וגיאומטריה לדוגמה זו. צלם תמונה שנייה של הדגימה לאחר הוספת המשקל, וודא שוב שהמצלמה מקבילה למישור הדגימה.
    הערה: המשקולות לדוגמה המובאות כאן חלות באופן ספציפי על מדגם PDMS ששימש במחקר זה.
  4. יישרו את קו הדיג מהגלגלת התחתונה ביותר עם מישור Z של רגלי הדגימה באמצעות רכיב Z של שלב המיקרו-התאמה התלת-כיווני (איור 1A). מקם בקירוב את קצה הלהב הצפוי קרוב לשדה הראייה של המטרה (איור 2B).

7. הרכבה על להב

  1. הכנס את סכין הגילוח לתפס הלהב המתאים לו (שלב 1.2) וחבר את הלהב למקומו באמצעות בורג מוגדר. הושיבו את הלהב בחוזקה לתוך תפס הלהב (איור 1D ואיור 2C) כדי לוודא שהוא מרובע. החלק את סכין הגילוח החתוך הזה לתוך תושבת תפס הלהב המחוברת לתא הטעינה (איור 1E).
    הערה: יש למקם את הלהב תמיד לאחר התקנת הדגימה. אם הלהב נמצא במקום לפני הדגימה, הוא מהווה סיכון בטיחותי למשתמש.

8. יישור המנגנון

  1. בחר את מטרת המיקרוסקופ 2.5x, או גבוה עד 20x אם רוצים תמונות קרובות יותר.
  2. השתמש בהגדרת האור המשודרת, והגדל את האור מאחורי הדגימה במידת הצורך.
  3. כשהלהב במקומו, מקדו את המיקרוסקופ בתחתיתו, באמצעות מערכת הכוונון האנכית של הלהב במידת הצורך כדי להביא את הקצה למרחק העבודה המתאים למטרה (איור 1E ואיור 2A). יישרו בזהירות את סכין הגילוח בתוך שדה הראייה של המיקרוסקופ באמצעות כיווני X ו-Y בלבד של שלב המיקרו-התאמה התלת-כיווני (איור 1A).
  4. לאחר מכן, מקדו את המיקרוסקופ על הדגימה. יישרו את קצה הסדק עם סכין הגילוח (איור 2B) על-ידי תרגום שלב XY במיקרוסקופ (איור 1A) כדי להבטיח שמישור האמצע של הדגימה מתיישר עם מישור האמצע של מנגנון התאמת הזווית.

9. בדיקות

  1. פתח את הקוד המשמש לאיסוף נתוני תא הטעינה (collect_data.mlapp, קובץ קידוד משלים 21).
  2. התחל להקליט את טען נתוני תא על ידי לחיצה על התחל להקליט לחצן.
  3. תרגם את הדגימה דרך סכין הגילוח במשך 1 ס"מ או יותר במהירות קבועה באמצעות בקרת שלב במיקרוסקופ. אספו תמונות בו זמנית באמצעות ממשק ההדמיה של המיקרוסקופ.
  4. כאשר שלב XY במיקרוסקופ נעצר (איור 1A), לחץ על הלחצן הפסק הקלטה כדי להפסיק להקליט נתונים ולשמור באופן אוטומטי קובץ *.txt של תגובת העומס והזמן.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הפרמטרים המשמשים במהלך שלב 4 ושלב 6 והנתונים שנאספו במהלך שלב 6 ושלב 9 משתלבים כדי להניב את אנרגיית החיתוך של הדגימה. על פי Eqn. 1, קביעת אנרגיית החיתוך דורשת את הפרמטרים הבאים: עובי הדגימה, t, כוח העמסה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, θ. נדרשים גם הנתונים הבאים: כוח החיתוך, fחתך ומאמץ הרגל הממוצע, figure-results-1. הראשון מגיע מנתוני זמן כוח שנאספו באמצעות קוד המחשב. נתוני זמן ...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מנגנון החיתוך האופקי בצורת Y שדווח כאן מאפשר יכולות הדמיה באתרו יחד עם קלות שימוש משופרת בטכניקת כשל זו. המנגנון כולל עיצוב מודולרי/נייד להרכבה/פירוק מהירים ממיקרוסקופ וכוונון רציף ומראש של זווית הרגל. כל קבצי ה- CAD, החומרים והנהלים הנדרשים נכללו כדי להקל על יישום שיטה זו. במקרים רבים (מחזיקי להבים, מחזיק דגימה, הרכבה על תא עומס, מסגרת הרכבה), ניתן לשנות בקלות את החלקים המודפסים בתלת-ממד עבור חומר/להב נתון או תא עומס / מיקרוסקופ ספציפי. עם זאת, הטיפים הבאים חלים על כל הפרמטרים והשימושים של מנגנון זה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ברצוננו להודות לד"ר ג'יימס פיליפס, ד"ר איימי ווגונר-ג'ונסון, אלכסנדרה שפיצר ואמיר אוסטדי על עצתם בעבודה זו. המימון הגיע ממענק סטארט-אפ שניתן על ידי המחלקה למדעי מכונות והנדסה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid ו- C. Walsh קיבלו כולם קרדיט עיצוב בכיר על עבודתם בפרויקט זה.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<חזק>קנה חלקים
1 אינץ' גלגלת ODMcMaster Carr3434T75עבור חבל תיל (גדול יותר)
100 גרם מיקרו עומסתא רובוטShopRB-Phi-203
1K נגדDigi-KeyCMF1.00KFGCT-ND1 kOhms ± 1% W נגד חור-עובר ציפוי מעכב בעירה צירי, עמיד בפני לחות, ציפוי מתכת בטיחותי
נגדDigi-Key1M RNF14FAD1M001 MOhms &mn; 1% 0.25 W, 1/4 W נגד חור עובר ציפוי מעכב בעירה צירי, סרט מתכת בטיחותי
3/8 אינץ' גלגלת ODMcMaster Carr3434T31גלגלת לחבל תיל
4 אינץ' מד זווית שקוף עם סימוני קריאה קלים& S WorldwideLR3023
לוח לחםECEBN / A
IC OPAMP אפס סחיפה 2 מעגל 8DIPDigi-KeyLTC1051CN8# PBF-ND
M2 x 0.4 מ"מ אגוזמקמאסטר קאר90592A075אגוז משושה פלדה
M2 x 0.4 מ"מ x 25 מ"ממקמאסטר קאר91292A03218-8 בורג ראש שקע נירוסטה
M2 x 0.4 מ"מ x 8 מ"ממקמאסטר קאר91292A83218-8 בורג ראש שקע נירוסטה
M3 x 0.5 מ"מ x 15 מ"מMcMaster Carr91290A572בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M3 x 0.5 מ"מ x 16 מ"מMcMaster Carr91294A134בורג ראש שטוח מסגסוגת תחמוצת שחורה פלדה
M3 x 0.5 מ"מ, 4 מ"מ גבוהMcMaster Carr90576A102אגוז מנעול פלדה בעל חוזק בינוני ניילון M4
x 0.7 מ"מ אגוזמקמאסטר קאר90592A090אגוז משושה פלדה
M4 x 0.7 מ"מ x 15 מ"ממקמאסטר קאר91290A306בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M4 x 0.7 מ"מ x 16 מ"ממקמאסטר קאר91294A194בורג ראש שטוח מסגסוגת תחמוצת שחורה פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה M4
x 0.7 מ"מ x 18 מ"ממקמאסטר קאר91290A164בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M4 x 0.7 מ"מ x 20 מ"ממקמאסטר קאר91290A168בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M4 x 0.7 מ"מ x 20 מ"ממקמאסטר קאר92581A270בורג אגודל ראש מחורץ מוגבה
M4 x 0.7 מ"מ x 30 מ"ממקמאסטר קאר91290A172בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M4 x 0.7 מ"מ x 50 מ"ממקמאסטר קאר91290A193בורג ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורה
M4 x 0.7 מ"מ, 5 מ"מ גבוהMcMaster Carr94645A101אגוז נעילה פלדה בעל חוזק גבוה ניילון
M5 x 0.8 מ"מ אגוזMcMaster Carr90592A095אגוז משושה פלדה
M5 x 0.8 מ"מ x 16 מ"מMcMaster Carr91310A123חוזק גבוה Class 10.9 בורג ראש משושה פלדה
M5 x 0.8 מ"מ x 35 מ"מMcMaster Carr91290A195בורג
ראש שקע פלדה מסגסוגת תחמוצת שחורהM5 x 0.8 מ"מ, 13 מ"מ קוטר ראשMcMaster Carr96445A360אום אגודל עם ראש מחורץ
M5 x 0.8 מ"מ, 5 מ"מ גבוהMcMaster Carr90576A104פלדה בעלת חוזק בינוני ניילון-הכנס אגוז נעילה
SolidworksDassault Systemesתוכנת CAD
ערכת חיווטECEBN / A
ציר XYZ ידני דיוק ליניארי stage 60 מ"מ x 60 מ"מ חיתוך מיסב כוונון פלטפורמת שולחן הזזהאופטיקה פוקוסN/A
<חזק>ייצור חלקים
מערכת כוונון זווית- זרועהדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: arms_arm_single. SLDPRT
כמות: 2
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מערכת כוונון זווית- זרועות נייחותתלת מימדעבודות מוצקות: arms_stationary. כמות SLDPRT
: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מערכת התאמת זווית- קישורהדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: arms_arm_link. כמות SLDPRT
: 2
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מערכת כוונון זווית- מחווןתלת מימדעבודות מוצקות: arms_slider. כמות SLDPRT
: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מערכת כוונון זווית- מרווחהדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: arms_front_spacer. SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: מהיר/0.2 מ"מ גובה שכבה
קליפ להבתלת מימדעבודות מוצקות: קליפ להב. SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: גובה שכבה עדין/0.1 מ"מ
קליפ- תושבת קליפ להבהדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: תושבת קליפ להב. SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: גובה שכבה עדין/0.1 מ"מ
זרוע מסגרתהדפסתתלת מימד מוצקה: זרוע מסגרת. SLDPRT
כמות: 2
הגדרה: מהיר/0.2 מ"מ גובה שכבה
פלטפורמת הרכבהחיתוך לייזר אקריליקמוצק: פלטפורמת הרכבה. SLDPRT
כמות: 1
זרוע גלגלת (משמאל)הדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: גלגלת arm_Mirror.SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: מהיר/0.2 מ"מ גובה שכבה
זרוע גלגלת (מימין)הדפסתתלת מימד עבודות מוצקות: זרוע גלגלת. SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מחזיק לדוגמא ולשונית- מהדקהדפסת תלת מימדעבודות מוצקות: Clamp.SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
SLDPRT
כמות: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מחזיק לדוגמא ולשונית- Tabהדפסתתלת מימד מוצקה: Tab.SLDPRT
כמות: 2 לכל בדיקה
הגדרה: גובה שכבה עדין/0.1 מ"מ, ללא שוליים
מערכת כוונון אנכית- שקופית פנימיתהדפסתתלת מימד מוצקה: שקופית פנימית. כמות SLDPRT
: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
מערכת כוונון אנכית- שקופית חיצוניתהדפסתתלת מימד מוצקה: שקופית חיצונית. כמות SLDPRT
: 1
הגדרה: גובה שכבה מהיר/0.2 מ"מ
S הדפסת הדפסת הדפסת מחזיק לדוגמא ולשונית- מחזיק לדוגמא הדפסת תלת מימד עבודות מוצקות: מחזיק מדגם.

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture. Physical Review X. 10, 041045(2020).
  3. Zhao, X., et al. Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties. Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).
  4. 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).
  5. Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. Mechanochemical tools for polymer materials. Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).
  6. 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).
  7. Zhang, B., Hutchens, S. B. On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids. Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).
  8. Lake, G. J., Yeoh, O. H. Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction. International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).
  9. 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).
  10. Rivlin, R. S., Thomas, A. G. Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing. Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).
  11. 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).
  12. Taylor, D. The Theory of Critical Distances. , Elsevier. London, UK. (2007).
  13. 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).
  14. Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. Progressive damage and rupture in polymers. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).
  15. 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).
  16. Gent, A. N., Wang, C. Cutting resistance of polyethylene. Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).
  17. 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).
  18. 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).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Y Shaped CuttingMicroscope Mounted CuttingFailure Energy MeasurementSoft Material TestingPolydimethylsiloxane CuttingInverted Microscope StageCutting Force MeasurementMicrostructural Failure AnalysisSample Holder AssemblyLoad Cell Data

Related Articles