Name: Produzione di un dispositivo di misurazione della deformazione con una stampante 3D migliorata (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 17 s
Description: Scopri come produrre un sensore di misurazione della deformazione con stampa 3D avanzata utilizzando PDMS e meccanismo di amplificazione. Questo metodo elimina connessioni elettriche per applicazioni versatili.

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Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalla National Science Foundation of China (Grant n. 51805009).

1. Assemblaggio del meccanismo di amplificazione
<ol><li>Costruire una piattaforma sperimentale che include una stampante 3D migliorata, un indicatore di misuratore di deformazione, un dispositivo di guida, un telaio di supporto, una barra di alluminio, un obiettivo PDMS, uno smartphone, pesi, un amplificatore stampato (Figura supplementare 1), e un misuratore di deformazione, come mostrato Figura 1.</li>
	<li>Impostare l'altezza di ogni strato nella stampante a 0,05 mm per il nylon e 0,2 mm per ABS. Impostare il diametro della testina di stampa su 0,2 mm in entrambi i casi. Impostare la temperatura dell'ugello a 220 gradi centigradi per il nylon e a 100 gradi centigradi per l'ABS. Infine, impostare la velocità di stampa a 2.000 mm/min per il nylon e a 3.500 mm/min per ABS.</li>
	<li>Regolare l'orientamento della testa di estrusione sferica in modo che l'ugello metallico si trovi di fronte alla piattaforma a bassa temperatura e stampare un contorno per garantire una normale estrusione, come illustrato nella Figura 2.</li>
	<li>Appendere il nylon e l'ABS sulla colonna. Il front-end deve entrare nel contenitore della bobina di stampa per essere fuso dall'ugello metallico.</li>
</ol>2. Montaggio del microscopio PDMS
<ol><li>Utilizzando un agitatore magnetico, mescolare il precursore PDMS e l'agente di polimerità per ottenere un rapporto di peso di 10:1.</li>
	<li>Mettere il composto nel degasser per 40 min per rimuovere le bolle e versare la miscela degassata nel contenitore PDMS della testa di estrusione sferica.</li>
	<li>Ruotare la testa di estrusione sferica e la piattaforma in modo che l'ugello di plastica si affaccia sulla piattaforma ad alta temperatura.</li>
	<li>Impostare l'incremento dell'ugello di plastica a 50.</li>
	<li>Accendere la piastra calda per riscaldare la piattaforma ad alta temperatura. La temperatura della piattaforma è controllata da un termometro a radiazione infrarossa senza contatto. NOTA: Questo studio ha testato temperature di 140 gradi centigradi, 160 gradi centigradi, 180 gradi centigradi, 200 gradi centigradi, 220 e 240 gradi centigradi.</li>
	<li>Spremere il contenitore PDMS per stampare l'obiettivo PDMS.</li>
	<li>Raffreddare l'obiettivo PDMS a temperatura ambiente e rimuoverlo con una pinzetta di gomma.</li>
	<li>Determinare i parametri geometrici dell'obiettivo, inclusi l'angolo di contatto, il raggio di curvatura e il diametro delle goccioline, utilizzando un analizzatore di forme tridimensionale.</li>
</ol>3. Misurazione della deformazione per le prove di carico nei gruppi di controllo e test
<ol><li>Utilizzare una barra in alluminio 6063 T83 come il fascio a sbalzo. La lunghezza, la larghezza e lo spessore del fascio a sbalzo devono essere rispettivamente 380 mm x 51 mm x 3,8 mm. Fissare un'estremità al tavolo operatorio con bulloni e dadi.</li>
	<li>Disegnare una croce al centro e 160 mm dall'estremità libera del fascio a sbalzo.</li>
	<li>Per rimuovere lo strato di ossido sul fascio a sbalzo, lucidare la sua superficie con carta vetrata fine prima di incollare. La direzione di molatura deve essere di circa 45 gradi dalla direzione della griglia di filo del misuratore di deformazione. Utilizzare cotone idrofilo imbevuto di acetone per pulire la superficie del fascio a sbalzo e la superficie della pasta di misuratore di deformazione.</li>
	<li>Collegare il dispositivo di guida e l'indicatore del misuratore di deformazione. Accendere l'alimentazione. Utilizzare un misuratore di deformazione montato sulla superficie centrale della barra di alluminio all'estremità fissa per misurare i cambiamenti di deformazione.</li>
	<li>Fissare il peso standard all'estremità libera del fascio a sbalzo per controllare l'ingresso della forza concentrata. Leggere i dati utilizzando un indicatore di misuratore di deformazione convenzionale con un metodo di connessione a un quarto di ponte.</li>
	<li>Sostituire l'indicatore di deformazione con gli amplificatori ABS e nylon nella stessa posizione.</li>
	<li>Fissare l'obiettivo PDMS sulla fotocamera dello smartphone con un sensore da 8 megapixel a una distanza di messa a fuoco di 29 mm. Regolare la lunghezza focale della fotocamera fino a ottenere un'immagine chiara. Leggere lo spostamento del puntatore utilizzando il microscopio PDMS.</li>
	<li>Ripetere i passaggi 3.5 e 3.6, impostando ogni volta il carico su 1 N, 2 N, 3 N, 4 N e 5 N.</li>
</ol>4. Analisi degli elementi finiti
<ol><li>Stabilire modelli di elementi finiti 3D delle parti nylon e ABS per la misurazione della deformazione (vedere Tabella dei materiali per il software utilizzato). Importare il fascio a sbalzo e il meccanismo di amplificazione nella libreria dei materiali del software e simularne le posizioni di posizionamento.</li>
	<li>Analizzare le proprietà meccaniche del puntatore del meccanismo di amplificazione sotto l'azione di un fascio a sbalzo.</li>
	<li>Generare maglie da utilizzare in modelli geometrici 3D utilizzando elementi tetraedriconi con una dimensione fine dell'elemento. Perfezionare le cerniere di flessione, in particolare la cerniera tra il puntatore e gli altri corpi. NOTA: Il giovane di elasticità utilizzato per l'alluminio moduli, nylon, e ABS erano 69 GPa, 2 GPa, e 2.3 GPa, rispettivamente. I rapporti di Poisson utilizzati per alluminio, nylon e ABS erano rispettivamente 0,33, 0,44 e 0,394.</li>
	<li>Applicare una forza concentrata di 1 N al centro dell'estremità libera del fascio a sbalzo. Ripetere con 2 N, 3 N, 4 N e 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>

Gli autori non dichiarano interessi contrastanti.

Lo spostamento dell'uscita si è evoluto linearmente con la forza concentrata all'estremità libera del fascio a sbalzo ed è stato coerente con le simulazioni FEA. La sensibilità degli amplificatori è stata di 36,55 s 0,53 s/m per il nylon e di 36,03 gradi per l'ABS. La sensibilità stabile ha confermato la fattibilità e l'efficacia della rapida prototipazione di sensori ad alta precisione utilizzando la stampa 3D. Gli amplificatori avevano un'alta sensibilità ed erano privi di interferenze elettromagnetiche. Inoltre, aveva...

Ottenere materiali leggeri ma forti è particolarmente importante nell'industria moderna. Le proprietà dei materiali sono influenzate quando sottoposte a sollecitazione, pressione, torsione e vibrazione di piegatura durante l'uso1,2. Pertanto, la misurazione della deformazione dei materiali è importante per analizzarne la durata e risolvere i problemi di utilizzo. Tali misurazioni consentono agli ingegneri di analizzare la durata dei materiali e risolvere i problemi di produzione. Il metodo di misurazione della deformazione più comune nell'industria utilizza sensori di deformazione3. I sensori di lamina tradizionali sono ampiamente utilizzati a causa del loro basso costo e della buona affidabilità4. Misurano i cambiamenti nei segnali elettrici e li convertono in diversi segnali di uscita5,6. Tuttavia, questo metodo esclude i dettagli del profilo di deformazione nell'oggetto misurato ed è suscettibile al rumore dovuto all'interferenza elettromagnetica vibrazionale con i segnali analogici. Lo sviluppo di metodi di misurazione accurati, altamente ripetibili e facili da deformazione dei materiali è importante in ingegneria. Così, altri metodi sono in fase di studio.
Negli ultimi anni, i nanomateriali hanno attirato molto interesse dagli investigatori. Per misurare la varietà su piccoli oggetti, Osborn et al.7,8 ha proposto un metodo per misurare la varietà di nanomateriali 3D utilizzando il backscatter elettronico (EBSD). Utilizzando la dinamica molecolare, Lina e t al.9 hanno studiato l'ingegneria della deformazione di attrito interstrato del grafene. Le misurazioni distribuite della deformazione in fibra ottica mediante la spettroscopia backscatter (RBS) di Rayleigh sono state ampiamente utilizzate nel rilevamento dei guasti e per la valutazione dei dispositivi ottici a causa della loro elevata risoluzione spaziale e sensibilità10. Grattugiare la fibra ottica (FBG)11,12 sensori di deformazione distribuiti sono stati ampiamente utilizzati per la misurazione della deformazione ad alta precisione13 per la loro sensibilità alla temperatura e alla deformazione. Al fine di monitorare i cambiamenti di tensione causati dalla polimerità dopo l'iniezione di resina, Sanchez et al.14 ha incorporato un sensore in fibra di carbonio fibra ottica in una piastra di fibra di carbonio epossidica e ha misurato il processo di deformazione completo. Il contrasto di interferenza differenziale (DIC) è un potente metodo di misurazione della deformazione di campo15,16,17 che è ampiamente utilizzato anche18. Confrontando i cambiamenti dei livelli di grigio di superficie misurati nelle immagini raccolte, la deformazione viene analizzata e la deformazione calcolata. Il19 ha proposto un metodo che si basa sull'introduzione di particelle rinforzate e immagini DIC per evolvere dal DIC tradizionale. Vogel e Lee20 hanno calcolato i valori di deformazione utilizzando un metodo automatico a due visualizzazioni. Negli ultimi anni, ciò ha permesso l'osservazione simultanea della microstruttura e la misurazione della deformazione nei compositi rinforzati con particelle. I sensori di deformazione tradizionali misurano in modo efficace la deformazione in una direzione. Il sistema di deformazione flessibile e di tipo21 ha proposto un sensore di deformazione flessibile omnidirezionale che migliora un metodo tradizionale di misuratore di deformazione rilevando i cambiamenti nella resistenza del sensore. È anche possibile misurare la deformazione utilizzando sostanze biologiche o chimiche. Ad esempio, gli idrogel conduttivi ionici sono un'alternativa efficace ai sensori di deformazione/tattile a causa delle loro buone proprietà di tensione e dell'alta sensibilità22,23. Il grafene e i suoi compositi hanno eccellenti proprietà meccaniche e forniscono un'elevata mobilità portante insieme a una buona piezoresistivity24,25,26. Di conseguenza, i sensori di deformazione a base di grafene sono stati ampiamente utilizzati nel monitoraggio elettronico della salute della pelle, nell'elettronica indossabile e in altri campi27,28.
In questo lavoro, viene presentata una misurazione concettuale della deformazione utilizzando un microscopio polidimetilsiloxanano (PDMS) e un sistema di amplificazione. Il dispositivo è diverso da un misuratore di deformazione tradizionale perché non richiede fili o connessioni elettriche. Inoltre, lo spostamento può essere osservato direttamente. Il meccanismo di amplificazione può essere posizionato in qualsiasi posizione sull'oggetto testato, aumentando notevolmente la ripetibilità delle misurazioni. In questo studio, un sensore e un amplificatore di deformazione sono stati realizzati dalla tecnologia di stampa 3D. Abbiamo prima migliorato la stampante 3D per aumentarne l'efficienza in base alle nostre esigenze. Un dispositivo di estrusione sferica è stato progettato per sostituire il tradizionale estrusore monomateriale controllato dal software di affettatura per completare la conversione degli ugelli metallici e plastici. La piattaforma di stampaggio corrispondente è stata modificata e il dispositivo di rilevamento dello spostamento (amplificatore) e il dispositivo di lettura (microscopio PDMS) sono stati integrati.

<table><tbody><tr><td>Fabbrica</td><td></td> di <td>prodotti elettrici in plastica ABS Hengli dejian</td><td>Utilizzato per la stampa di fili di diametro 1,75 mm per il meccanismo di amplificazione</td></tr><tr>Barra <td></td><td></td> in<td>alluminio 6063 T83</td><td>La lunghezza, la larghezza e lo spessore della trave a sbalzo sono 380 mm, 51 mm e 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, utilizzando con la stampante 3D migliorata</td></tr><tr><td></td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS e agente indurente sono miscelati con il rapporto di peso di 10:1 Dispositivo di</td></tr><tr><td>guida</td><td>Xinmingtian</td><td>E00</td><td></td></tr><tr><td>Stampante 3D migliorata e accessori</td><td></td><td></td><td>Fatto da me. Viene adottata la piattaforma elevatrice sferica rotante. La piattaforma di sollevamento sferica è dotata di un ugello e di una pipetta, che possono essere commutati e stampati liberamente. Con una piattaforma di stampa rotante, la temperatura della piattaforma può essere controllata liberamente.</td></tr><tr><td>iPhone 6</td><td>Apple</td><td>MG4A2CH / A</td><td>8 megapixel sensore e la distanza di messa a fuoco equivalente è 29 mm</td></tr><tr><td>Agitatore magenetico</td><td>SCILOGEX</td><td>MS-H280-Pro</td><td></td></tr><tr><td>Nylon</td><td>Hengli dejian fabbrica</td><td></td> di prodotti elettrici in plastica <td>Utilizzato per la stampa di filo di diametro 1,75 mm per il meccanismo di amplificazione</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>SYLGARDDC184</td><td>Dopo che la miscela viscosa è stata riscaldata e indurita, può essere combinata con il dispositivo di amplificazione dell'obiettivo del telefono cellulare per l'acquisizione delle immagini.</td></tr><tr><td>Analizzatore di forma</td><td>Gltech</td><td>SURFIEW 4000</td><td></td></tr><tr><td>Solidworks</td><td>Dassault Systems</td><td>Solidworks 2017</td><td>Assistenza alla modellazione</td></tr><tr><td>dell'estensimetro VISHAY</td><td>Vishay</td><td></td><td>Utilizzato per misurare la deformazione prodotta nell'esperimento.</td></tr><tr><td>Indicatore estensimetrico VISHAY</td><td>Vishay</td><td></td><td>Acquisizione dati di deformazione.</td></tr></tbody></table>

produzione di un dispositivo di misurazione della deformazione con una stampante 3d migliorata

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

Un sensore di misurazione della deformazione tradizionale deve essere elettrificato ed è suscettibile di interferenze elettromagnetiche. Per risolvere le fluttuazioni del segnale elettrico analogico in un'operazione di misuratore di deformazione tradizionale, viene presentato un nuovo metodo di misurazione della deformazione. Utilizza una tecnica fotografica per visualizzare il cambiamento di deformazione amplificando il cambiamento di spostamento del puntatore del meccanismo. Un obiettivo polidimetilsiloxane visivo (PDMS) con una lunghezza focale di 7,16 mm è stato aggiunto a una fotocamera per smartphone per generare un gruppo di lenti che funge da microscopio per catturare le immagini. Aveva una lunghezza focale equivalente di 5,74 mm. acrylonitrile butadiene (ABS) e amplificatori in nylon sono stati utilizzati per testare l'influenza di diversi materiali sulle prestazioni del sensore. La produzione degli amplificatori e dell'obiettivo PDMS si basa su una migliore tecnologia di stampa 3D. I dati ottenuti sono stati confrontati con i risultati dell'analisi degli elementi finiti (FEA) per verificarne la validità. La sensibilità dell'amplificatore ABS è stata di 36,03 x 1,34 gradi, e la sensibilità dell'amplificatore in nylon è stata di 36,55 gradi, 0,53 gradi.

Quando la temperatura della piattaforma aumentava, il diametro delle goccioline e il raggio di curvatura diminuivano, mentre l'angolo di contatto aumentava (Figura 3). Pertanto, la lunghezza focale del PDMS è aumentata. Tuttavia, per le temperature della piattaforma superiori a 220 gradi centigradi, è stato osservato un tempo di stagionatura molto breve nelle goccioline, e non hanno potuto estendersi in una forma piana-convessa. Questo può essere attribuito all'area di fissaggio basso quando...

Questo lavoro presenta un sensore di misurazione della deformazione costituito da un meccanismo di amplificazione e un microscopio polidimetilsiloxane prodotto utilizzando una stampante 3D migliorata.

Produzione di un dispositivo di misurazione della deformazione con una stampante 3D migliorata

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

La fabbricazione bifase solido-liquido può essere applicata anche alla produzione di materiali strutturali della microsfera in vari campi di studio, tra cui i settori dell'elettronica, biofarmaceutica, energetica e della difesa. Questo sistema non richiede fili o connessione elettrica e consente di misurare un'ampia gamma di applicazioni relative alla deformazione della microstruttura. Prima di iniziare la procedura, costruire una piattaforma sperimentale che includa una stampante 3D modificata, un indicatore di deformazione, un dispositivo di guida, un telaio di supporto, una barra di alluminio, un obiettivo PDMS, uno smartphone, pesi, un amplificatore stampato e un misuratore di deformazione.Impostare l'altezza dello strato di nylon nella stampante su 0,05 millimetri. Impostare il diametro della testa di stampa su 0,2 millimetri e impostare la temperatura dell'ugello su 220 gradi Celsius. Impostare la velocità di stampa su 2000 millimetri al minuto.Regolate l'orientamento della testa di estrusione sferica in modo che l'ugello metallico sia affacciato sulla piattaforma a bassa temperatura e stampate un contorno per garantire una normale estrusione. Quindi appendi il nylon sulla colonna. L'estremità anteriore deve entrare nel contenitore della bobina di stampa per essere fuso dall'ugello metallico.Per assemblare il microscopio PDMS, utilizzare un agitatore magnetico per mescolare un rapporto di peso da 10 a uno del precursore PDMS alla soluzione di agente polimerizzante e de-gasare la miscela per 40 minuti. Una volta rimosse tutte le bolle, versare la miscela nel contenitore PDMS della testa di estrusione sferica e ruotare la testa e la piattaforma di estrusione sferica in modo che l'ugello di plastica sia a faccia con la piattaforma ad alta temperatura. Impostare l'incremento dell'ugello in plastica su 50 microlitri e utilizzare la rotazione dell'ugello e il motore stepper nell'asse Z per posizionare l'estremità inferiore del dispositivo pipetta a 20 millimetri di distanza dallo stampo.Quindi riscaldare la piattaforma ad alta temperatura e spremere il contenitore PDMS per stampare l'obiettivo PDMS. Quando l'obiettivo PDMS stampato si è raffreddato a temperatura ambiente, utilizzare una pinzetta in gomma per rimuoverlo dalla stampante. Per eseguire una misurazione della deformazione di prova di carico, utilizzare dadi e bulloni per fissare un'estremità di un 380 per 51 per 3,8 millimetri di alluminio 6063-T83 bar al tavolo operatorio e disegnare una croce al centro e 160 millimetri dall'estremità libera della trave a sbalzo.Per rimuovere lo strato di ossido sulla trave, lucidare la superficie con carta vetrata fine con un angolo di circa 45 gradi dalla direzione della griglia del filo dello scartamento. Utilizzare cotone idrofilo imbevuto di acetone per pulire la superficie del fascio di sbalzi levigato e la superficie della pasta di estensimetro. Quindi collegare il dispositivo di guida e l'indicatore dello scartamento e accendere l'alimentazione.Successivamente, montare un misuratore di deformazione sulla superficie centrale della barra di alluminio all'estremità fissa e fissare un peso standard all'estremità libera del fascio a sbalzo per controllare l'ingresso di forza concentrato. Registrare una lettura di base utilizzando un indicatore di misura dello sforzo convenzionale con un metodo di connessione a quarto di ponte prima di sostituire l'estensimetro con un amplificatore in nylon. Collegare l'obiettivo PDMS a una fotocamera per smartphone con un sensore da otto megapixel a una distanza di messa a fuoco di 29 millimetri e regolare la lunghezza focale della fotocamera fino a ottenere un'immagine chiara.Quindi utilizzare il microscopio PDMS per leggere lo spostamento del puntatore. Per eseguire un'analisi degli elementi finiti, importare il fascio a sbalzi e il meccanismo di amplificazione nella libreria dei materiali del software e simulare le loro posizioni di posizionamento. Analizzare le proprietà meccaniche del puntatore del meccanismo di amplificazione sotto l'azione di un fascio a sbalzi e utilizzare elementi tetraedri con una dimensione dell'elemento fine per generare mesh da utilizzare in modelli geometrici 3D.Quindi perfezionare le cerniere di flessione, in particolare la cerniera tra il puntatore e gli altri corpi, e applicare una forza concentrata di un newton al centro dell'estremità libera del fascio a sbalzi. Con l'aumento della temperatura della piattaforma, il diametro della goccia e il raggio di curvatura diminuiscono e l'angolo di contatto aumenta. Qui viene mostrato un confronto della misurazione sperimentale dello spostamento con le simulazioni FEA per nylon, mentre questo grafico illustra le discrepanze minime e massime tra le pendenze per l'ABS.In questo esperimento rappresentativo sono state determinate le sensibilità di misura per nylon e ABS. Controllare la temperatura di stampaggio dell'obiettivo PDMS è difficile. Utilizziamo un termometro a radiazione infrarossa senza contatto e una piattaforma ad alta temperatura per garantire che le variazioni di temperatura siano entro la tolleranza.Questo metodo di fabbricazione solido-liquido può essere applicato anche agli studi nel campo dei biofarmaci, in particolare per la preparazione di strutture a microsfera.

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