החלת תבניות שבלונה קבועות וחזקות של חלקיקים עדינים על משטחים אלסטומריים

Paul M. Mitalski; Jacob C. McGough; Chelsea  S. Davis

doi:10.3791/68576

Method Article

החלת תבניות שבלונה קבועות וחזקות של חלקיקים עדינים על משטחים אלסטומריים

DOI:

10.3791/68576

⸱

July 8th, 2025

Paul M. Mitalski¹ , Jacob C. McGough² , Chelsea S. Davis¹^,³^,⁴

¹School of Materials Engineering, Purdue University, ²School of Mechanical Engineering, Purdue University, ³Department of Mechanical Engineering, University of Delaware, ⁴Department of Materials Science and Engineering, University of Delaware

Summary

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

אנו מציגים שיטה להחלת סימונים ודפוסים קבועים על משטחי סיליקון על ידי הדבקת חלקיקים עדינים למשטח. הסימונים יכולים להיות עיצוב מוכר או דפוס כתמים אקראי כמו אלה המשמשים במתאם תמונה דיגיטלית.

Abstract

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

פיתוח מודלים לא ליניאריים וגדולים של דפורמציה עבור חומרים מרוכבים אלסטומריים הוא אתגר מתמשך עם יישומים ברובוטיקה רכה, תותבות והפחתת פגיעות (כמו קסדות אתלטיות וריפוד). מטרת המחקר שלנו היא לפתח מודלים המנבאים התנהגות חומרים ומייצרים סימולציות מדויקות. ככל שהתקדמנו במחקר שלנו, זיהינו את הצורך החיוני ללכוד באופן ניסיוני עיוות שדה פני השטח, מה שיאפשר לנו לפתח קשרים מכוננים חזקים.

טכניקות מעקב אופטיות נפוצות, כגון מתאם תמונה דיגיטלית (DIC) ומעקב רשת, דורשות דפוס על פני הדגימה כדי לעקוב ולחשב את שדה תזוזה פני השטח. עם זאת, אנרגיית פני השטח הנמוכה הטבועה ברוב החומרים האלסטומריים, כגון סיליקונים נרפאים, מעכבת סימון קבוע של פני השטח. במילים אחרות, כמעט בלתי אפשרי להדביק דפוסי מעקב אחר פני השטח לחומר שלא יימחק או יימרח בקלות בעת הטיפול בדגימה. יתר על כן, ניסויי דפורמציה גדולים עלולים לגרום לדפוס פני השטח המקורי להתעוות, להיסדק או להתקלף.

כאן, אנו מציגים שיטה חדשנית של דפוסי יציקת ריסוס של סימני אבקה על המשטח הפנימי של תבניות לפני הזרקה תגובתית של החלקים האלסטומריים שלנו. פיתחנו שיטה פשוטה זו, המאפשרת ליישם דפוסי משטח קבועים ובנאמנות גבוהה על דגימות הסיליקון או האלסטומרי במהלך תהליך הייצור. דפוסי פני השטח יכולים לנוע בין דפוסי כתמים אקראיים המשמשים ב-DIC לדפוסים צבעוניים מפורטים. דפוסים חדשים וחזקים אלה יכולים לעמוד בעומסים מחזוריים של מתח גדול מבלי לדהות או להיסדק ויאפשרו סימון קל של סיליקונים בסביבות מעבדה ותעשייתיות.

Introduction

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

אפיון חומר דפורמציה גדול בתרחישי העמסה מתקדמים נוטה ליצור זן לא הומוגני 1,2,3,4,5. כדי למדל במדויק את הזן הלא הומוגני הזה, על הניסוי ללכוד את הקינמטיקה של פני השטח או הנפח. הטכניקות הנפוצות ביותר המשמשות לרכישת קינמטיקה של פני השטח או הנפח מכונות טכניקות מעקב אופטיות. מתאם תמונה דיגיטלית (DIC) ומעקב רשת הן שתי טכניקות המעקב האופטיות הנפוצות ביותר בספרות עבור קינמטיקה של פני השטח, ושתיהן דורשות דפוסים גלויים על פני הדגימה ^6,7.

שקול אלסטומר מגנטורולוגי (MRE), המורכב מסיליקון בתפזורת עם חלקיקי ברזל עדינים התלויים במטריצה בתפזורת. הדגימה יכולה להתעוות בו זמנית הן מעומסים מכניים קלאסיים בגבולות והן משדה מגנטי מופעל המסווג ככוח ללא מגע. בתרחישי טעינה אנלוגיים אלה ואחרים, הכרחי שהניסוי יתפוס את הקינמטיקה של פני השטח מכיוון שהנחת המתח ההומוגנית במצבי טעינה נפוצים אינה תקפה עוד. קיימות טכניקות מרובות לסימון פני השטח של דגימות דמויות גומי, כגון פשוט שימוש בטוש או צבע בעל ניגודיות גבוהה ^2,6. ניסויים יישמו גם בסיס קוסמטי על דגימות רקמה ביולוגיות לפני סימון הדגימה ^3,5. בכל מקרה, המטרה היא להצמיד לדגימה סימונים קבועים ובעלי נאמנות גבוהה. קביעות נחוצה כדי למנוע דהייה או התקלפות של סימונים משטח הדגימה במהלך הטיפול ובדיקות מכניות מחזוריות. רזולוציית קו גבוהה או "נאמנות" חיונית לניתוח תמונה מדויק ומעקב אחר העיוות.

כאן, אנו מציגים שיטה להחלת סימונים קבועים ברזולוציה גבוהה על דגימות סיליקון על ידי הדבקת חלקיקים עדינים על פני הדגימה במהלך הייצור בניגוד לאחר יצירת הדגימה. הדפוס הרצוי, בין אם תכן רב-צבעוני מורכב או דפוס כתמים אקראי המשמש ב-DIC, מוחל על החלק הפנימי של חלל התבנית לפני תהליך ההזרקה (איור 1). החלקיקים העדינים מושעים באלכוהול ולאחר מכן מוחלים באמצעות מברשת אוויר או כלי דומה. התבנית מוחלת על התבנית. לאחר שהאלכוהול התאדה, התבנית נסגרת, והחומר האלסטומרי התרמוסטי הלא נרפא מוזרק לתבנית. לאחר הריפוי, הדגימה המוצקה מוסרת כשהתבנית מוטבעת לצמיתות במשטח.

figure-introduction-1
איור 1: פרוטוקול תרשים זרימה עבור הדבקת תבניות נאמנות גבוהה למשטחי סיליקון. תרשים הזרימה או עץ ההחלטות עבור התהליך שלנו. מספור ותיוג אלה של כל שלב בתרשים הזרימה תואמים לתיאור הפרוטוקול. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Protocol

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

זהירות: ציוד מגן אישי מתאים (PPE) מורכב ממשקפיים, מעיל מעבדה, מסכת N95, מגן אוזניים וכפפות שאינן לטקס. כפפות נון-לטקס (כלומר, ניטריל) נדרשות מכיוון שכפפות לטקס יעכבו את תהליך הריפוי של דגימות סיליקון פלטינה.

1. הכנה ראשונית

הכנה ראשונית של התבניות
1. נקו את התבניות במים וסבון והניחו לתבניות להתייבש. נגב את התבניות באלכוהול איזופרופיל והניח לתבניות להתייבש באוויר.
הכנה ראשונית של השבלונות
1. נקו את השבלונות במים וסבון והניחו לשבלונות להתייבש. נגב את השבלונות באלכוהול איזופרופיל ואפשר לשבלונות להתייבש באוויר.
הכנה ראשונית של מברשת האוויר
הערה: ייתכן שתידרש הגנה על האוזניים על סמך סוג מדחס האוויר בו נעשה שימוש. מכסה אדים נדרש בעת שימוש במברשת האוויר.
1. חבר את מדחס האוויר למברשת האוויר, חבר את מדחס האוויר לשקע חשמל מתאים והפעל את מדחס האוויר. בתוך מכסה אדים עם ה-PPE המתאים, מלאו את מברשת האוויר באלכוהול איזופרופיל ונקו את מברשת האוויר על ידי העברת אלכוהול איזופרופיל דרכה מספר פעמים.
  הערה: יש לנקות את מברשת האוויר לאחר כל שימוש. אם אתה משתמש בשבלונה, המשך לסעיף 2. אם אינך משתמש בשבלונה (כגון ליישום דפוס כתמים של DIC), המשך לסעיף 3.

2. הכנת תבנית שבלונה

זהירות: מכסה אדים נדרש בעת הטיפול בדבק הריסוס או בשחרור התבנית.

מרחו את דבק הריסוס על השבלונה.
1. בתוך מכסה אדים עם ה- PPE המתאים, הניחו את השבלונה על מגבת נייר ומרחו שכבה אחת של דבק הריסוס על השבלונה. בעת ריסוס הדבק על השבלונה, הרחיקו את פיית הריסוס כ-30 ס"מ מהשבלונה ורססו בתנועה רציפה חלקה. המתן 30 שניות עד 60 שניות עד שהשבלונה תהיה דביקה אך כבר לא רטובה לפני שתמשיך לשלב 2.2.
  הערה: יש צורך במעבר אחד בלבד; דבק רב מדי יסבך את הסרת השבלונה מהתבנית.
הדביקו את השבלונה לתבנית.
1. בתוך מכסה אדים עם ה- PPE המתאים, הניחו את התבנית על מגבת נייר. הרם בזהירות את השבלונה בכפפות נקיות שאינן לטקס, הקפד לא להפריע לדבק, והניח את השבלונה על התבנית כשהצד הדביק של השבלונה יוצר קשר עם התבנית. משטחים את השבלונה על ידי העברת אצבע אחת בחוזקה על פני השבלונה כדי להבטיח מגע אחיד עם התבנית.
  הערה: מגע אחיד עם התבנית נחוץ כדי למנוע קצוות דפוס מפוזרים ולשמור על תכונות חדות.
הניחו את סרט השבלונה על התבנית.
1. בעזרת סרט צייר מדביקים את שולי השבלונה לתבנית. המשך לשלב 4.
  הערה: שלב זה מבטיח שהשבלונה מאובטחת לתבנית כדי למנוע הפרדה של קצוות השבלונה מהתבנית.

3. הכנת תבנית כתמים DIC

החל את שחרור התבנית על התבנית עבור DIC Speckle.
1. בתוך מכסה אדים עם ה- PPE המתאים, הניחו את התבנית על מגבת נייר כשמשטח חלל התבנית פונה כלפי מעלה. מרחו שחרור עובש על התבנית על ידי ריסוס התבנית בשכבה אחת של שחרור עובש. בעת ריסוס שחרור התבנית על התבנית, הרחיקו את פיית הריסוס כ-12 סנטימטרים מהתבנית ורססו בתנועה רציפה חלקה.
  הערה: יש צורך במעבר אחד בלבד; עם זאת, שחרור עובש רב מדי אינו בעייתי.

4. הכנת מברשת אוויר

הערה: מכסה אדים ומסכת N95 נדרשים בעת טיפול באבקה דקה.

הכנה ראשונית של תרחיף האבקה העדינה
1. בתוך קולט אדים עם PPE מתאים, הכינו תרחיף של 45 מ"ל של אלכוהול איזופרופיל ואבקה דקה (גרפיט או פיגמנט צבעוני) (איור 2). לשם כך, באמצעות משפך או כף קטנה כפי שמוצג באיור 2A, הניחו כ-10 מ"ל אבקה דקה במבחנה והוסיפו אלכוהול איזופרופיל כדי למלא את הנפח הנותר של המבחנה לנפח כולל של 45 מ"ל. אטום את המבחנה ונער במרץ (ראה איור 2C לדוגמא של ההשעיה המתקבלת).
  הערה: אל תמלא את מברשת האוויר בשלב זה כדי למנוע סתימה של פיית מברשת האוויר.
מילוי מברשת האוויר לפני הריסוס (איור 2D).
הערה: יש לבצע שלב זה מיד לפני השימוש במברשת האוויר. מברשת האוויר לא צריכה לשבת במצב סרק עם מתלה האבקה במיכל מברשת האוויר מכיוון שמברשת האוויר תסתם.
1. נער מחדש את המתלה המעורבב מראש משלב 4.1. יוצקים את המתלה למיכל מברשת האוויר עד למילוי 75% מנפח מיכל מברשת האוויר.
  הערה: אל תמלא לחלוטין את מיכל מברשת האוויר מכיוון שזווית מברשת האוויר תוביל לשפיכה. אם אתה משתמש בשבלונה, המשך לסעיף 5. אם אינך משתמש בשבלונה, המשך לסעיף 6.

figure-protocol-1
איור 2: הכנת מברשת האוויר עם תמיסת גרפיט. (A) הנחת אבקת גרפיט במבחנה; (ב) 10 מ"ל של אבקת גרפיט; (ג) תמיסה של אלכוהול איזופרופיל ואבקת גרפיט. (ד) מלא את מברשת האוויר מיד לפני השימוש. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

5. מרססים את התבנית עם השבלונה (איור 3)

ריסוס תרחיף החלקיקים העדינים
1. הפעל את מדחס האוויר. ודא שלחץ האוויר של המדחס הוא 1.38 עד 1.72 בר (20-25 psi).
2. במכסה האדים, כוון את התבנית עם השבלונה המודבקת בזווית מעט אנכית כך שהתרסיס יוחל בזווית של 90°. כוון את מברשת האוויר מעט מהצד של התבנית כדי להבטיח שהתרסיס יתחיל לפני או לפני התבנית.
3. משוך את הדק מברשת האוויר לאחור בעדינות. לאחר שמברשת האוויר מתחילה להתיז, יש למרוח בצורה חלקה את השכבה הראשונה של המתלה. בעת ריסוס המתלה על השבלונה והתבנית, הרחיקו את פיית הריסוס כ-30 ס"מ מהמשטח ורססו בתנועה רציפה חלקה כפי שמוצג באיור 3C.
4. שחרר את הדק מברשת האוויר ובדוק אם מתלה החלקיקים העדינים מוחל באופן אחיד על פני השטח. במידת הצורך, מרחו שכבות נוספות של המתלה על פני השבלונה והתבנית.
הוצאת השבלונה מהתבנית (איור 4)
1. המתן עד שהחלקיקים העדינים יתייבשו באופן ניכר לפני הסרת השבלונה (לפחות 180 עד 300 שניות) או שהמתלה עלול להימרח. החלל השלילי של השבלונה ייראה כאילו הוא מלא באבקת החלקיקים העדינים כאשר האלכוהול האיזופרופיל התאדה.
2. הסר את סרט הצייר מהחלק העליון (הקצה הקצר יותר) של התבנית ומשוך את סרט הצייר כלפי מעלה לאט וחלק. השבלונה תתנתק יחד עם סרט הצייר כפי שמוצג באיור 4A.

figure-protocol-2
איור 3: יישום מברשת אוויר של תמיסת גרפיט. (A) תבניות מוכנות מסעיף פרוטוקול 2. (B) שבלונה עם מערך מרובע של חורים עגולים לפני הריסוס. (ג) ריסוס התבנית המוכנה בתמיסה. (D) שבלונה רשת לאחר הריסוס. פסי קנה מידה = 2 מ"מ (B,D). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-protocol-3
איור 4: הסרת השבלונה ובדיקת משטח התבנית המעוצב. (A) הסרת השבלונה מהתבנית. (B) דוגמה לתבניות אחרי שאפשרו לאלכוהול להתאדות. (ג) תצוגה מוגדלת של הרשת על תבנית לפני הזרקה. סרגל קנה המידה = 1 מ"מ (C). אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

6. מרססים את התבנית ללא שבלונה

ריסוס דפוס כתמי DIC על התבנית (איור 5)
1. הפעל את מדחס האוויר. ודא שלחץ האוויר של המדחס הוא 0.34 עד 0.69 בר (5-10 psi).
2. במכסה האדים, כוון את התבנית ללא שבלונה בזווית מעט אנכית כך שהתרסיס יוחל בזווית של 90°.
3. בדוק את מברשת האוויר על ידי לחיצה קצרה על ההדק תוך כדי כיוון לעבר דף נייר רזרבי כדי לוודא שדפוס הכתמים מתאים (פיזור אקראי מרחבי, חלוקת גודל נכונה של כתמים להגדלת מערך ההדמיה הניסיוני).
4. הלחץ על ההדק מעל התבנית כדי ליצור את דפוס הכתמים על התבנית כפי שמוצג באיור 5C. המתן עד שהחלקיקים העדינים יתייבשו באופן ניכר (לפחות 180 עד 300 שניות) או שהמתלה עלול להימרח.
  הערה: ניתן לכוונן את גודל הכתם על ידי שינוי לחץ האוויר.

figure-protocol-4
איור 5: ריסוס דפוס אקראי על עובש. (A) הדק מברשת אוויר ליצירת דוגמת כתמים. (B) דפוס כתמים על עובש. (C) דפוס כתמים על עובש. (D) דפוס כתמים מוגדל. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

7. הרכיבו את התבנית (איור 6)

הרכיבו את התבנית.
1. הרכיבו בעדינות את התבניות כדי להתכונן לתהליך ההזרקה.
  הערה: הניסוי יכול להשהות לפחות מספר ימים לפני ביצוע תהליך ההזרקה שלו. יש להפחית את קצב ההזרקה כדי למנוע מריחה של החלקיקים העדינים.

figure-protocol-5
איור 6: הרכבת תבניות. (א) תבניות צלחת ודיסק מורכבות במלואן, (ב) הרכבת תבנית דיסק, (ג) הרכבת תבנית צלחת. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Results

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

עבור הניסוי העוסק במודל המייצג את התכונות המכניות של חומר מסוים, יש צורך להריץ מספר ניסויים שונים עם קבוצה של דגימות בעלות מגוון גיאומטריות. דוגמאות לדגימות שנוצרו בטכניקה זו מוצגות באיור 7. איור 7A ממחיש לוח סיליקון Ecoflex עם עיצוב רשת שחורה על דגימה לבנה. בצד המוצג יש רשת שחורה, ובצד האחורי יש כתמי DIC שחורים. איור 7B מציג צלחת סיליקון Ecoflex עם עיצוב רשת לבנה על דגימה שחורה. בדיוק כמו הדגימה המוצגת באיור 7A, לדגימה באיור 7B יש את דפוס הכתמים DIC בצד האחורי, יצוק מהתבנית המוכנה המוצגת באיור 6A. דפוס זה של יצירת עיצוב שחור על לבן ועיצוב לבן על שחור עם דפוס כתמי רשת ו-DIC מוצג גם על הגליל ודגימות הקובייה המוצגות בפאנלים C, D, F ו-G באיור 7. איור 7E מספק דוגמה ללוח עם רשת כחולה על לבן.

איור 8 מייצג מדגם בעל דפוס גרוע עקב קצב זרימת ההזרקה גבוה מדי. דפוס הכתמים של DIC נמרח כך שהחלקיקים מתפשטים לפסים. דגימה זו יוצרה בכוונה עם דפוס כתמי DIC דליל כדי להמחיש בבירור את המריחות. שיטה זו מאפשרת לניסוי להציב דפוס כתמים צפוף יותר במידת הצורך לתוצאות DIC טובות יותר ^7,8,9, במיוחד עבור ניסויי מתח קטנים. דפוסי כתמים בצפיפות משתנה מוצגים באיור 9B,C. איור 10 מציג תמונות של לוחות סיליקון המיוצרים בשיטה זו עם שכבת מפת צבע של שדה מתח DIC כדי להמחיש מעקב אופטי מוצלח.

figure-results-1
איור 7: דוגמאות לדגימות ששימשו בניסויים. (A) לוח לבן עם נקודות רשת שחורות במתח חד-צירי. (B) לוח שחור עם נקודות רשת לבנות (תבנית שבלונה) במתח חד-צירי. (C) גליל שחור עם נקודות רשת לבנות. (D) גליל שחור עם דפוס כתמי DIC. (E) נקודות רשת כחולות (F) קובייה לבנה עם נקודות רשת לבנות ותבנית כתמי DIC. (G) קובייה שחורה עם נקודות רשת לבנות. פסי קנה מידה = 1 מ"מ (E), 1 ס"מ (A-D, F, G). קיצור: DIC = מתאם תמונה דיגיטלית. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-2
איור 8: דוגמאות לדגימות שבהן קצב ההזרקה היה מהיר מדי והתבנית המנומרת נמרחה. כיוון זרימת ההזרקה מסומן באמצעות חץ אופקי בתחתית התמונה. חיצים מלוכסנים מציינים את מיקומם של כמה מהפסים של הדגם המרוח. סרגל קנה מידה = 2 מ"מ. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-3
איור 9: עיצובי תמונה לדוגמה המשמשים בעקיבה אופטית. (A) דוגמה לתבנית רשת למעקב אופטי, (B) דוגמה לתבנית כתמי DIC דלילה למעקב אופטי, (C) דוגמה לדפוס כתמי DIC צפוף למעקב אופטי. פסי קנה מידה = 1 ס"מ. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

figure-results-4
איור 10: דוגמה לשדה מתח מתאם תמונה דיגיטלית המונח על גבי תמונות ניסיוניות של מתח חד-צירי. המתח מופעל בכיוון y, והמתח ההנדסי הגלובלי מופיע מתחת לכל תמונה. התזוזה האנכית המקומית של מיקומים שונים של המדגם מוצגת עם מפת הצבעים כפי שמצוין בסולם מימין לאיור. אנא לחץ כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

Discussion

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

היכולת להדביק חלקיקים לחומרים דמויי גומי, כגון סיליקון, מספקת יתרונות הן בתעשייה והן במחקר. עם זאת, ידוע היטב כי היצמדות למשטחים של חומרים בעלי אנרגיית פני שטח נמוכה יכולה להיות אתגר. באופן כללי, חוקרים ששיטות הניסוי שלהם דורשות דפוס או עיצוב על פני הדגימות שלהם משתמשים בדרך כלל בצבע שנוסח במיוחד עבור מברשת אוויר כמו אלה המיוצרים על ידי Createx ו-Vallejo ^1,10. יישומים אלה המשתמשים בצבע דורשים לרוב פריימר ועדיין לא מצליחים להשיג את העמידות הנדרשת של התבניות. על מצעים גמישים, הצבע עלול להימרח או ליפול בפתיתים כשהוא נסדק במהלך בדיקה מכנית. כשלים אלה בדבק הסימון משנים את שדה הנתונים שנלכד בשיטת מעקב אופטית כמו מתאם תמונה דיגיטלית. השיטה שלנו מבטיחה עמידות לאורך זמן של תבנית פני השטח. כרגע יש לנו דגימות בנות יותר מ-6 שנים שניסינו למרוח באגרסיביות ולהסיר את תבנית פני השטח באופן מכני. כל המאמצים להסיר סימנים אלה נכשלו, מה שמדגים את החוסן של דפוסי פני השטח.

בתעשייה, ייתכן שיהיה צורך גם ליישם עיצובים, סמלים או מילים על פני השטח של חומרים דמויי גומי לצורך הוראות בטיחות ותהליך, כגון התקנת אטם. לדוגמה, בתעשיית הרכב, מקובל להטביע מילים כמו "הצד הזה למעלה" או להטביע חץ על אטם גומי כדי לספק הוראות התקנה ברורות. באופן מסורתי, סימונים אלה מושגים על ידי שינוי משטח התבנית כך שהמילים יהיו מעל או מתחת לפני השטח של שאר החלק. שיטה זו מחייבת ייצור תבנית חדשה בכל פעם שצריך לשנות את הסימונים. בנוסף, החלק הסופי יהיה בעובי שונה במקום בו נמצאת החותמת, מה שמוביל לאתרי כשל פוטנציאליים במהלך הפעולה. השיטה שלנו מתגברת על שתי הבעיות בכך שהיא לא משנה את התבניות בשום צורה ומאפשרת למשטח החומר הסופי להישאר בעובי אחיד.

בוצעו בדיקות מכניות כדי לאשר ששיטת הדפוס שלנו אינה משפיעה על התכונות המכניות של החומר. בדקנו שוב ושוב דגימות במגוון מצבי טעינה כגון גזירה פשוטה, מתח חד צירי, דחיסה ואפילו בדיקות השפעה. יתר על כן, שיטה זו בטוחה לסביבה בהשוואה לשיטות יישום צבע חלופיות. אנו נמנעים משימוש בממיסי צבע רעילים ונדיפים על ידי שימוש באלכוהול בתמיסה שלנו בעת הברשה באוויר של התבנית. לבסוף, מאפיין ראוי לציון של השיטה שלנו הוא היכולת ליצור דפוסים צבעוניים ברזולוציה גבוהה על משטח הדגימה. השיטה מוגבלת על ידי גודל החלקיקים ודיוק הייצור של השבלונה. גודל החלקיקים חייב להיות קטן מספיק כדי להשיג את הנאמנות הרצויה ולהתגבר על קצב הזרימה של תהליך ההזרקה. גודל הדגימה והגיאומטריה מוגבלים רק על ידי גודל התבנית והחומר שנבחר. ייצרנו קוביות בגודל 2 אינץ 'בהצלחה תוך שימוש בסיליקון עם חיי סיר של כ -20 דקות בטמפרטורת החדר.

שיטת ייצור השבלונה תשפיע ישירות על רזולוציית גודל התכונה ועל יכולתם ליצור עיצוב בנאמנות גבוהה על חלל התבנית במהלך ציפוי ריסוס חלקיקים. שיקול מדוקדק של איזה ייצור שבלונות הוא חלק בלתי נפרד משיטת הדפוס. כאן, אנו מספקים סט פשוט של טכניקות הכנת שבלונות יחד עם גודל התכונה המינימלי שניתן ליצור בכל טכניקה, _{l min}. ראשית, חיתוך ידני עם סכין מלאכה: כלים מדויקים כמו סכיני X-Acto או להבי שירות הם הטובים ביותר לעיצובים מפורטים ומורכבים ועובדים היטב עם חומרים כמו יריעות פלסטיק, מיילר או קרטון (_{l min} ≥ 1 מ"מ). שנית, חיתוך ידני עם מספריים: יכול לשמש לחומרים קלים כמו נייר או ויניל דק להפקת צורות פשוטות ועיצובים פחות מורכבים (l_min ≥ 1 מ"מ). שלישית, מכונות חיתוך כמו Cricut או Silhouette: יכולות לחתוך עיצובים מורכבים בדיוק באמצעות חומרים כמו ויניל דבק או קרטון (l_min ≥ 250 μm). רביעית, חיתוך לייזר: אפשרות היי-טק לדפוסים מורכבים המתאימים לשבלונות אקריליק, עץ או פלסטיק עבות (_{l min} ≥ 100 μm). חמישית, כלי חיתוך חום: סכינים חמות חשמליות או מגהצי הלחמה יכולים להמיס דרך חומרי שבלונה תרמופלסטיים כמו מיילר או סרטי פולימר מוחצנים אחרים (l_min ≥ 1 מ"מ). שיטה זו מפיקה קצוות חלקים. שישית, ניקוב: מועיל לצורות קטנות שחוזרות על עצמן והן עובדות בצורה הטובה ביותר על חומרים קלים (_{l min} ≥ 100 מיקרומטר). לבסוף, ניתן להשתמש בנתבים הנשלטים על ידי מחשב עבור פרויקטי שבלונות גדולים או בקנה מידה תעשייתי (l_min varies).

בכל פרוטוקול ייצור חדש, שלבים מסוימים בתהליך הם קריטיים להשגת התוצאה הרצויה. בשיטה שלנו, ישנם שלושה שלבים שיש להדגיש ולתת להם תשומת לב מיוחדת. השלב הקריטי הראשון הוא לאפשר לאלכוהול להתאדות לחלוטין מתרחיף החלקיקים המוברש, ולהשאיר רק את החלקיקים דבוקים למשטח התבנית. אם האלכוהול לא מתאדה לחלוטין, יש סיכוי גבוה שהעיצוב על התבנית יימרח ו/או האלכוהול יתערבב עם החומר הלא נרפא בתהליך ההזרקה. גודל החלקיקים חייב להיות קטן מספיק מכיוון שחלקיקים אלה, התלויים ב"צבע "האלכוהול במברשת האוויר, נדבקים לתבנית לאחר שהאלכוהול התאדה במלואו. גודל החלקיקים הוא מגבלה חשובה שיש לשים לב אליה. אם החלקיקים גדולים מדי, כוחות ואן דר ואלס לא יספיקו כדי להדביק את החלקיקים בצורה מאובטחת וקבועה לפני השטח של החומר דמוי הגומי. עם זאת, ניתן להשיג חלקיקים בגודל מתאים במחיר סביר ובקלות ממספר ספקי פיגמנטים מסחריים.

השלב הקריטי השני הוא כמות הדבק, המחזיקה באופן זמני את השבלונה על התבנית. מניסיוננו, הדרך הטובה ביותר לבצע שלב זה היא להשתמש במעבר מהיר אחד של דבק ריסוס. אנו ממליצים על כמה שפחות דבק תוך הקפדה על מגע מלא של השבלונה עם התבנית. על ידי השטחה ידנית של השבלונה על התבנית בעזרת האצבע או מכשיר מתאים כמו מרית גומי, ניתן ליצור מגע קונפורמי. אם פתחי השבלונה אינם שטוחים לחלוטין כנגד התבנית, מתלה החלקיקים ינדוד מתחת לשולי תבנית השבלונה במהלך צחצוח האוויר, מה שיפחית משמעותית את החדות של קצוות עיצוב המשטח. אם נעשה שימוש רב מדי בדבק, הסרת השבלונה תהיה מאתגרת ועלולה לפגוע בעיצוב החדש שהוחל. יתרה מכך, דבק רב מדי יוביל לכך שהדגימה תידבק חזק לתבנית במהלך תהליך הריפוי, מה שהופך את תהליך הפירוק לכמעט בלתי אפשרי מבלי לגרום נזק לדגימה.

השלב הקריטי השלישי הוא קצב ההזרקה של הסיליקון הלא נרפא במהלך תהליך ההזרקה. מניסיוננו, ראינו שקצב זרימת הזרקה איטי מספיק לא התגבר על כוחות ואן דר ואלס שהדביקו את החלקיקים העדינים לתבנית, ואפשרו למלא את חלל התבנית מבלי להפריע לחלקיקים המעוצבים. נדרשות בדיקות אמפיריות מסוימות כדי לקבוע קצב הזרקה אופטימלי שהוא איטי מספיק כדי למנוע מריחה של התבנית אך מהיר מספיק כדי למלא את חלל התבנית לפני תחילת הריפוי של הסיליקון. ניתן להוסיף לתערובת מעכבי ריפוי אם מייצרים חלקים בנפח גדול יותר. צמיגות החומר וזמן האשפרה יכתיבו את קצב ההזרקה המתאים למערכת של כל חומר.

Disclosures

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

למחברים אין ניגודי אינטרסים לחשוף.

Acknowledgements

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

המחברים מודים לאוניברסיטת פרדו על שסיפקה מתקני מעבדה לביצוע המחקר.

Materials

List of materials used in this article
Name	Company	Catalog Number	Comments
מדחס אוויר	אומן	CMEC6150	נייד: 6 גל מדחס פנקייק https://www.craftsman.com/collections/air-compressors/products/cmec6150
צבע לגמישות אקולוגית	החלקה	תסמונת קדם-וסתית 2757C	פיגמנטים צבעוניים מסיליקון Silc Pig. פיגמנטים של Silc Pig מרוכזים, כך שמעט עושה דרך ארוכה בעת צביעת מוצרי סיליקון Smooth-On. צבעים מותאמים אישית אפשריים על ידי מיזוג צבעי Silc Pig שונים. Silc Pig 9 Pack Sampler כולל שחור, דם, כחול, חום, ירוק, בשר בהיר, אדום, לבן, צהוב. https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/
איזופרופיל אלכוהול	ברבור	70% אלכוהול איזופרופיל - בקבוק 16 אונקיות S-15966 - Uline	70% אלכוהול איזופרופיל - בקבוק 16 אונקיות www.uline.com
כוסות ערבוב	סולו	מספר דגם: S-19462R	כוסות מסיבת פלסטיק www.uline.com
שחרור עובש לשבלונה		שחרור קל 200 & 205	דגם וחומר שחרור דפוס להכנת תבניות סיליקון אפוקסי, אורטן ו-RTV. https://www.reynoldsam.com/
גיליון מיילר 3 מיל	שבלונות אונליין LLC	נה	יריעות מיילר \| חומר סטנסיל www.stencilsonline.com
ציירים מסקינטייפ	Uline	S-26006	סרט מיסוך של Uline Painters www.uline.com
מגבות נייר	Uline	S-7711 Uline	S-7711 Uline - מגבת סופגת במחיר חסכוני. 2 שכבות < > www.uline.com
מקלות ארטיק	אנונימי	מספר דגם פריט: D-0139#, UPC 652695701399	https://www.amazon.com/Darice-Popsicle-Sticks-Crafts-Natural/dp/B0CPKHS44K/?th=1
אבקה	פיגמנטים של אדמה	טיטניום דו חמצני PW6	טיטניום פיגמנטים לבנים של כדור הארץ https://www.earthpigments.com/
סיליקון (ecoflex)	החלקה	אקופלקס 00-20	סיליקונים מזרזים פלטינה https://www.smooth-on.com/
דבק ריסוס	Stencil Ease	מקט צג: ASA0005	דבק ריסוס למיקום מחדש של Stencil Ease https://www.stencilease.com/
אקדח ריסוס / מברשת אוויר	גירית	פטריוט 105	גירית פטריוט 105 Airbrush https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp
מבחנות	גלובל סיינטיפיק	פריט 83576, חלק יצרן #: 6254	צינורות צנטריפוגה לשימוש כללי מפוליסטירן 50 מ"ל עם כובעים - סטרילי www.usplastic.com
צינורות ויניל	סו צ'יף	מספר דגם: 900-01163C00501 Menards מק"ט: 6840523	צינורות ויניל שקופים של סו צ'יף www.menards.com

References

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

Gustafson, H. M., Melnyk, A. D., Siegmund, G. P., Cripton, P. A. Damage identification on vertebral bodies during compressive loading using digital image correlation. Spine (Phila Pa 1976). 42 (22), E1289-E1296 (2017).
Han, Y., Rogalsky, A. D., Zhao, B., Kwon, H. J. The application of digital image techniques to determine the large stress-strain behaviors of soft materials. Polymer Engineering & Science. 52 (4), 826-834 (2012).
Nagelli, C., et al. Mechanical and strain behaviour of human Achilles tendon during in vitro testing to failure. Eur Cell Mater. 43, 153-161 (2022).
Nunes, L. C. S. Shear modulus estimation of the polymer polydimethylsiloxane (pdms) using digital image correlation. Materials & Design. 31 (1), 583-588 (2010).
Palanca, M., Tozzi, G., Cristofolini, L. The use of digital image correlation in the biomechanical area: A review. International Biomechanics. 3 (1), 1-21 (2016).
Pan, B. Recent progress in digital image correlation. Exp Mech. 51, 1223-1235 (2011).
Reu, P. Introduction to digital image correlation: Best practices and applications. Exp Tech. 36 (1), 3-4 (2012).
Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. Topical review: Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Meas Sci Technol. 20, 062001(2009).
Sutton, M., Orteu, J. -J., Schreier, H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: Basic concepts, theory and applications. , (2009).
Pan, B. Digital image correlation for surface deformation measurement: Historical developments, recent advances and future goals. Meas Sci Technol. 29, 082001(2018).

Reprints and Permissions

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

Request Permission

החלת תבניות שבלונה קבועות וחזקות של חלקיקים עדינים על משטחים אלסטומריים

In This Article

Summary

Abstract

Introduction

Protocol

Results

Discussion

Disclosures

Acknowledgements

Materials

References

Reprints and Permissions

Tags

Related Articles