Il taglio a forma di Y misura le scale di lunghezza e le energie rilevanti per la frattura nei materiali morbidi. Gli apparecchi precedenti sono stati progettati per misurazioni da banco. Questo protocollo descrive la fabbricazione e l'uso di un apparato che orienta la configurazione orizzontalmente e fornisce le capacità di posizionamento fine necessarie per la visualizzazione in situ , oltre alla quantificazione dei guasti, tramite un microscopio ottico.
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Articolo metodologico
Esecuzione di test di taglio a forma di Y montati su microscopio
* These authors contributed equally
In questo articolo
Sommario
Abstract
Il taglio a forma di Y ha recentemente dimostrato di essere un metodo promettente con cui comprendere la scala di lunghezza della soglia e l'energia di guasto di un materiale, nonché la sua risposta al guasto in presenza di energia di deformazione in eccesso. L'apparato sperimentale utilizzato in questi studi era orientato verticalmente e richiedeva passaggi ingombranti per regolare l'angolo tra le gambe a forma di Y. L'orientamento verticale impedisce la visualizzazione nei microscopi ottici standard. Questo protocollo presenta un apparato di taglio a forma di Y che si monta orizzontalmente su uno stadio di microscopio invertito esistente, può essere regolato in tre dimensioni (X-Y-Z) per rientrare nel campo visivo dell'obiettivo e consente una facile modifica dell'angolo tra le gambe. Queste ultime due caratteristiche sono nuove per questa tecnica sperimentale. L'apparecchiatura presentata misura la forza di taglio con una precisione di 1 mN. Durante il test del polidimetilsilossano (PDMS), il materiale di riferimento per questa tecnica, è stata misurata un'energia di taglio di 132,96 J/m 2 (angolo di gamba 32°, 75 g di precarico) ed è risultata rientrare nell'errore delle misurazioni precedenti effettuate con una configurazione verticale (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2). L'approccio si applica a materiali sintetici morbidi, tessuti o bio-membrane e può fornire nuove informazioni sul loro comportamento durante il fallimento. L'elenco delle parti, i file CAD e le istruzioni dettagliate in questo lavoro forniscono una tabella di marcia per la facile implementazione di questa potente tecnica.
Introduzione
La meccanica del continuo non lineare ha fornito una lente critica attraverso la quale comprendere la concentrazione di energia che porta al fallimento nei solidi morbidi1. Tuttavia, la previsione accurata di questo cedimento richiede anche la descrizione delle caratteristiche microstrutturali che contribuiscono alla creazione di nuove superfici sulla punta della fessura 2,3. Un metodo per avvicinarsi a tali descrizioni è attraverso la visualizzazione in situ della punta della fessura durante il guasto 4,5. Tuttavia, l'....
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Protocollo
1. Regolazione e produzione di parti modificabili e consumabili
- Utilizzare un taglio laser o una stampante 3D per produrre linguette monouso in ABS o acrilico che si adattano alla larghezza delle gambe del campione, B1 e B2 (7,5 mm x 7,5 mm per un campione di 1,5 cm x 7 cm x 3 mm) (Figura 1B e Figura 2D). Sono necessarie due schede per ogni test, una per ogni gamba.
- Clip per lama di rasoio
NOTA: Le dimensioni esatte della clip per lama di rasoio richiesta dipendono dalla profondità della lama utilizzata.- Modificare il progetto CAD (vedere Tabella dei mate....
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Risultati
I parametri utilizzati durante la fase 4 e la fase 6 e i dati raccolti durante la fase 6 e la fase 9 si combinano per produrre l'energia di taglio del campione. Secondo Eqn. 1, la determinazione dell'energia di taglio richiede i seguenti parametri: spessore del campione, t, forza di precarico, fpre e angolo tra le gambe e l'asse di taglio, θ. Sono inoltre richiesti i seguenti dati: la forza di taglio, iltaglio f e lo sforzo medio della gamba,
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Discussione
L'apparato di taglio orizzontale a forma di Y qui riportato consente funzionalità di imaging in situ insieme a una migliore facilità d'uso per questa tecnica di guasto. L'apparecchio include un design modulare / portatile per il montaggio / smontaggio rapido da un microscopio e la regolazione continua e pre-allineata dell'angolo delle gambe. Tutti i file CAD, i materiali richiesti e le procedure sono stati inclusi per facilitare l'implementazione di questo metodo. In molti casi (portalame, portacampioni, support.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Vorremmo ringraziare il Dr. James Phillips, la Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer e Amir Ostadi per i loro consigli su questo lavoro. Il finanziamento proveniva dalla sovvenzione iniziale fornita dal Dipartimento di Scienze Meccaniche e Ingegneria dell'Università dell'Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid e C. Walsh hanno tutti ricevuto crediti di design senior per il loro lavoro su questo progetto.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Acquista parti | |||
| " Puleggia OD | McMaster Carr | 3434T75 | Puleggia per fune metallica (più grande) |
| 100 g Micro cella di carico | RobotShop | RB-Phi-203 | |
| Resistore 1K Digi-Key | CMF1.00KFGCT-ND | 1 kOhm ± 1% 1 W Resistenza a foro passante Rivestimento ignifugo assiale, resistente all'umidità, pellicola metallica di sicurezza | |
| Resistenza 1M | Digi-Key | RNF14FAD1M00 | 1 MOhms ± 1% 0,25 W, 1/4 W foro passante resistore Rivestimento ignifugo assiale, pellicola metallica di sicurezza |
| 3/8" puleggia OD | McMaster Carr | 3434T31 | puleggia per fune metallica |
| 4" goniometro chiaro con marcature di facile lettura | S & S Worldwide | LR3023 | |
| Breadboard | ECEB | N/A | |
| IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP | Digi-Key | LTC1051CN8#PBF-ND | |
| M2 x 0,4 mm Dado | McMaster Carr | 90592A075 | Dado esagonale in acciaio |
| M2 x 0,4 mm x 25 mm | McMaster Carr | 91292A032 | 18-8 Vite a brugola in acciaio inox |
| M2 x 0,4 mm x 8 mm | McMaster Carr | 91292A832 | Vite a brugola in acciaio inossidabile 18-8 |
| M3 x 0,5 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A572 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M3 x 0,5 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A134 | Vite a testa piatta con attacco esagonale in acciaio legato all'ossido nero |
| M3 x 0,5 mm, alta 4 mm | McMaster Carr | 90576A102 | Dado autoriduttore con inserto in nylon in acciaio a media resistenza |
| Dado | M4 x 0,7 mmMcMaster Carr | 90592A090 | Dado esagonale in acciaio |
| M4 x 0,7 mm x 15 mm | McMaster Carr | 91290A306 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91294A194 | Vite a testa esagonale in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm x 18 mm | McMaster Carr | 91290A164 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 91290A168 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm x 20 mm | McMaster Carr | 92581A270 | Vite a testa zigrinata rialzata Stell |
| M4 x 0,7 mm x 30 mm | McMaster Carr | 91290A172 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm x 50 mm | McMaster Carr | 91290A193 | Vite a brugola in acciaio legato all'ossido nero |
| M4 x 0,7 mm, 5 mm di altezza | McMaster Carr | 94645A101 | Acciaio ad alta resistenza con inserto in nylon |
| Dado M5 x 0,8 mm McMaster | Carr | 90592A095 | Dado esagonale in acciaio |
| M5 x 0,8 mm x 16 mm | McMaster Carr | 91310A123 | Vite a testa esagonale in acciaio classe 10.9 ad alta resistenza |
| M5 x 0,8 mm x 35 mm | McMaster Carr | 91290A195 | Vite |
| a brugola in acciaio legato all'ossido neroM5 x 0,8 mm, diametro della testa 13 mm | McMaster Carr | 96445A360 | Dado a testa zigrinata flangiato |
| M5 x 0,8 mm, 5 mm di altezza | McMaster Carr | 90576A104 | Acciaio a media resistenza Controdado con inserto in nylon |
| Solidworks | Dassault Systèmes | ||
| Software CAD Kit di cablaggio | ECEB | N/A | |
| Asse XYZ Tavolino lineare di precisione manuale 60 mm x 60 mm Cuscinetto di rifilatura Piattaforma di messa a punto Ottica della tavola scorrevoleMessa | a fuoco | N/A | |
| Marca PartiSistema di regolazione dell'angolo | |||
| - braccio | Stampa | solidworks: arms_arm_single. SLDPRT QTY: 2 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Sistema di regolazione dell'angolo - bracci fissi | Stampa | solidworks: arms_stationary. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Sistema di regolazione dell'angolo - collegamento | Stampa 3D solidworks | : arms_arm_link. SLDPRT QTY: 2 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Sistema di regolazione dell'angolo - cursore | Stampa | solidworks: arms_slider. SLDPRT QTY: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Sistema di regolazione dell'angolo - distanziatore | Stampa | solidworks: arms_front_spacer. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Clip- Clip a lama | Solidworks di stampa | : Clip a lama. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Fine/0,1 mm di altezza dello strato | |
| Clip- Supporto per clip a lama | Stampa 3D Solidworks | : Supporto per clip a lama. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Fine/0,1 mm altezza strato | |
| Braccio del telaio | Stampa 3D solidworks | : braccio del telaio. SLDPRT QTÀ: 2 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Piattaforma di montaggio | Solidworks acrilico | : piattaforma di montaggio. SLDPRT QTÀ: 1 | |
| Braccio puleggia (sinistra) | Stampa 3D solidworks | : puleggia arm_Mirror.SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza strato | |
| Braccio puleggia (destra) | Stampa 3D solidworks | : braccio puleggia. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Supporto e linguetta del campione - Morsetto | Stampa | solidworks: Clamp.SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Supporto e linguetta | Stampa 3D solidworks | : Supporto del campione. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Supporto del campione e linguetta- Scheda | Stampa | solidworks: Tab.SLDPRT QTÀ: 2 per test Impostazione: Fine/0,1 mm di altezza dello strato, senza tesa | |
| Sistema di regolazione verticale- Scivolo interno | Stampa | 3D solidworks: Scivolo interno. SLDPRT QTY: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato | |
| Sistema di regolazione verticale- Scivolo esterno | Stampa | solidworks: Scivolo esterno. SLDPRT QTÀ: 1 Impostazione: Veloce/0,2 mm di altezza dello strato |
Riferimenti
- Long, R., Hui, C. -Y. Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation - A review. Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).
- Slootman, J., et al. Quantifying rate-and temperatu....
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Ristampe e permessi
