シリコーン表面に微粒子を付着させることにより、シリコーン表面に永久的なマーキングとパターンを適用する方法を紹介します。マーキングは、認識可能なデザイン、またはデジタル画像相関で使用されるようなランダムなスペックルパターンのいずれかです。
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シリコーン表面に微粒子を付着させることにより、シリコーン表面に永久的なマーキングとパターンを適用する方法を紹介します。マーキングは、認識可能なデザイン、またはデジタル画像相関で使用されるようなランダムなスペックルパターンのいずれかです。
エラストマー複合材料用の非線形大変形モデルの開発は、ソフトロボティクス、補綴物、衝撃軽減(スポーツ用ヘルメットやパディングなど)への応用で進行中の課題です。私たちの研究目標は、材料の挙動を予測し、正確なシミュレーションを生成するモデルを開発することです。研究が進むにつれて、表面場の変形を実験的に捉えることが不可欠であることを認識しました。これにより、堅牢な構成関係を構築できるようになります。
デジタル画像相関(DIC)やグリッドトラッキングなどの一般的な光学トラッキング技術では、表面変位場を追跡して計算するために、試料の表面にパターンが必要です。しかし、硬化シリコーンなど、ほとんどのエラストマー材料は表面エネルギーが本来低いため、表面の永久的なマーキングが阻害されます。つまり、試料の取り扱い時に拭き取りや汚れにくい表面トラッキングパターンを材料に貼り付けることはほぼ不可能です。さらに、大きな変形実験では、元の表面パターンが歪んだり、亀裂が入ったり、剥がれたりする可能性があります。
ここでは、エラストマー部品の反応性射出成形の前に、金型の内面に粉末マーキングのパターンをスプレーキャストする新しい方法を紹介します。この簡単な方法は、製造プロセス中にシリコーンまたはエラストマーの試料に永続的で忠実度の高い表面パターンを適用できるようにするために開発されました。サーフェス パターンは、DIC で使用されるランダムなスペックル パターンから詳細なマルチカラー パターンまで多岐にわたります。これらの新しい堅牢なパターンは、退色や亀裂を発生させることなく大きなひずみの繰り返し荷重に耐えることができ、実験室や産業環境でのシリコーンの容易なマーキングを可能にします。
高度な荷重シナリオで大きな変形材料を特性評価すると、不均質なひずみ1,2,3,4,5が生成される傾向があります。この不均質なひずみを正確にモデル化するには、実験者は表面または体積の運動学をキャプチャする必要があります。サーフェスまたはボリュームのキネマティクスを取得するために使用される最も一般的な手法は、光学追跡手法と呼ばれます。デジタル画像相関(DIC)とグリッドトラッキングは、表面運動学の文献で最も一般的な2つの光学トラッキング技術であり、どちらも試料の表面に見えるパターンを必要とします6,7。
磁性流体エラストマー(MRE)は、バルクマトリックスに浮遊する微細な鉄粒子を含むバルクシリコーンで構成されています。試験片は、境界での古典的な機械的荷重と、非接触力として分類される印加磁場の両方から同時に変形する可能性があります。このシナリオと他の類似の荷重シナリオでは、一般的な荷重モードでの均質ひずみの仮定はもはや有効ではないため、実験家は表面運動学をキャプチャすることが不可欠です。ゴムのような標本の表面をマーキングするための複数の技術が存在し、例えば、単に高コントラストのマーカーまたは塗料を使用するなど2,6。実験家はまた、標本3,5をマーキングする前に、生体組織標本に化粧品の基礎を塗布しました。いずれの場合も、目標は、標本に恒久的なマーキングと忠実度の高いマーキングの両方を貼り付けることです。取り扱いや繰り返しの機械的試験中に、マーキングが試験片表面から色あせたり剥がれたりするのを防ぐためには、永続性が必要です。高いライン解像度、つまり「忠実度」は、正確な画像解析と変形の追跡に不可欠です。
ここでは、試料の作成後ではなく、製造中に試料の表面に微粒子を付着させることにより、シリコーン試料に恒久的な高解像度のマーキングを適用する方法を紹介します。DICで使用される複雑なマルチカラーデザインであろうとランダムなスペックルパターンであろうと、目的のパターンは、射出成形プロセスの前に金型キャビティの内部に適用されます(図1)。微粒子をアルコールに懸濁し、エアブラシなどで塗布します。パターンが金型に適用されます。アルコールが蒸発したら、型を閉じ、未硬化の熱硬化性エラストマー材料を型に注入します。硬化後、固体試料は、パターンが表面に恒久的に埋め込まれた状態で除去されます。

図1:シリコーン表面に忠実度の高いパターンを接着するためのフローチャートプロトコル。 プロセスのフローチャートまたは決定木。フローチャートの各ステップのこの番号付けとラベル付けは、プロトコルの説明に対応しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
注意: 適切な個人用保護具(PPE)は、眼鏡、白衣、N95マスク、耳用保護具、および非ラテックス手袋で構成されています。非ラテックス手袋(すなわち、ニトリル)は、ラテックス手袋が白金シリコーン試料の硬化プロセスを阻害するため、必要です。
1. 初期準備
2.ステンシル金型の準備
注意: スプレー接着剤または離型剤を取り扱うときは、ドラフトが必要です。
3. DICスペックルモールドの準備
4.エアブラシの準備
注:微粉体を取り扱う場合は、ドラフトとN95マスクが必要です。

図2:グラファイト溶液でエアブラシを調製する(A)グラファイトパウダーを試験管に入れる。(B)グラファイト粉末10mL;(C)イソプロピルアルコールとグラファイト粉末の溶液。(D)使用直前にエアブラシを入れてください。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
5.型にステンシルをスプレーします(図3)

図3:グラファイト溶液のエアブラシ塗布(A)プロトコルセクション2から調製した金型。(B)スプレーする前に円形の穴が正方形に配列されたステンシル。(C)準備した金型に溶液を噴霧します。(D)スプレー後のグリッドステンシル。スケールバー = 2 mm (B,D)。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:ステンシルを取り外し、パターン化された金型表面を検査します。 (A)ステンシルを金型から取り外します。(B)例:アルコールを蒸発させた後のカビ。(C)射出成形前の金型上のグリッドの拡大図。スケールバー= 1 mm(C)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
6.ステンシルなしで型をスプレーします

図5:金型にランダムなパターンをスプレーします。 (A)エアブラシトリガーをフリックしてスペックルパターンを作成します。(B)金型の斑点模様。(C)金型の斑点模様。(D)拡大されたスペックルパターン。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
7.金型を組み立てます(図6)

図6:金型の組み立て。 (A)プレートとディスク金型が完全に組み立てられた状態、(B)ディスク金型の組み立て、(C)プレート金型の組み立て。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
特定の材料の機械的特性を表すモデルを追求する実験家にとって、さまざまな形状を持つ一連の試験片で複数の異なる実験を行う必要があります。この手法を使用して作成された試料の例を図7に示します。図7Aは、白い試験片に黒いグリッドデザインのEcoflexシリコンプレートを示しています。表示されている側は黒いグリッドで、裏側には黒い DIC スペックルがあります。図7Bは、黒い試験片に白いグリッドデザインのEcoflexシリコンプレートを示しています。図7Aに示す試験片と同様に、図7Bの試験片は、図6Aに示す準備された金型から成形されたDICスペックルパターンを裏面に持っています。このパターンは、白地に黒のデザインと黒地に白のデザインの両方を作成し、グリッドとDICスペックルパターンの両方を使用して、図7のパネルC、D、F、およびGに示されている円柱と立方体の試料にも示されています。図7Eは、白地に青いグリッドを持つプレートの例を示しています。
図8は、射出成形の流量が高すぎるためにパターン化が不十分なサンプルを示しています。DIC スペックル パターンがにじみ、粒子が縞状に広がっています。この標本は、汚れを明確に示すために、意図的にまばらなDICスペックルパターンで製造されました。この方法により、実験者は、特に小さなひずみ実験において、より良いDIC結果7,8,9を得るために、必要に応じて、より密度の高いスペックルパターンを配置することができる。さまざまな密度のスペックルパターンを図9B、Cに示します。 図10は、この方法を使用して製造されたシリコーンプレートの画像とDICひずみフィールドカラーマップオーバーレイを示しており、光学トラッキングが成功したことを示しています。

図7:実験に用いた試料の例(A)一軸張力で黒の格子点が入った白色の板。(B)一軸張力で白いグリッドドット(ステンシルパターン)を備えた黒いプレート。(C)白いグリッドドットが付いた黒いシリンダー。(D)DICスペックルパターンの黒いシリンダー。(E)青いグリッドドット (F)白いグリッドドットとDICスペックルパターンの白い立方体。(G)白いグリッドドットが付いた黒い立方体。スケールバー= 1 mm(E)、1 cm(AD、F、G)。略語:DIC=デジタル画像相関。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:射出成形速度が速すぎて、斑点模様がにじみのある試験片の例。 射出成形の流れ方向は、画像の下部に水平矢印で示されます。斜めの矢印は、にじみ模様のいくつかの縞の位置を示しています。スケールバー= 2 mm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:光学トラッキングで使用される画像デザインの例。 (A)光学トラッキング用のグリッドパターンの例、(B)光学トラッキング用のスパースDICスペックルパターンの例、(C)オプティカルトラッキング用の高密度DICスペックルパターンの例。スケールバー= 1 cmこの 図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図10:一軸引張実験画像の上に重ねたデジタル画像相関ひずみ場の例。 ひずみは y 方向に適用され、グローバル工学ひずみは各画像の下にリストされます。サンプルのさまざまな位置の局所的な垂直変位は、図の右側のスケールに示されているようにカラーマップで示されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
シリコーンなどのゴム状材料に粒子を付着させる能力は、産業界と研究の両方でメリットがあります。しかし、表面エネルギーの低い材料の表面に接合することが課題となることはよく知られています。一般に、実験方法が標本の表面にパターンやデザインを必要とする研究者は、CreatexやVallejo 1,10によって製造されたものなど、エアブラシ用に特別に配合された塗料を使用するのが一般的です。塗料を使用するこれらのアプリケーションは、多くの場合、プライマーを必要としますが、それでもパターンの必要な耐久性を達成できません。柔軟な基板では、機械的試験中に塗料が割れると、塗料がにじんだり、フレーク状に落ちたりすることがあります。これらのマーキング接着剤の故障は、デジタル画像相関などの光学追跡方法によってキャプチャされたデータフィールドを変更します。私たちの方法は、表面パターンの長持ちする耐久性を保証します。現在、6年以上前のサンプルがあり、積極的に塗りつけて表面パターンを機械的に除去しようと試みました。これらのマーキングを除去するためのすべての努力は失敗し、表面パターンの堅牢性を示しています。
産業界では、ガスケットの取り付けなど、安全性やプロセス指示のために、ゴムのような材料の表面にデザイン、記号、または言葉を適用する必要がある場合もあります。例えば、自動車業界では「THIS SIDE UP」などの文字を刻印したり、ゴム製のガスケットに矢印を刻印したりして、取り付け手順を明確に示すのが一般的です。従来、これらのマーキングは、文字が部品の残りの部分の表面より上または下に来るように金型表面を変更することによって実現されます。この方法では、マーキングを変更するたびに新しい金型を製作する必要があります。さらに、最終部品はインプリントが配置されている厚さが異なるため、操作中に潜在的な故障箇所が発生する可能性があります。私たちの方法は、金型を一切変更せず、最終材料の表面を均一な厚さに保つことで、両方の問題を克服します。
当社のパターニング方法が材料の機械的特性に影響を与えないことを確認するために、機械的試験が実施されています。私たちは、単純せん断試験、一軸引張試験、圧縮試験、さらには衝撃試験など、さまざまな荷重モードで試験片を繰り返し試験してきました。さらに、この方法は、他の塗料塗布方法と比較すると、環境に安全です。金型をエアブラシで塗る際に、溶液中のアルコールを利用することにより、有毒で揮発性の塗料溶剤の使用を避けています。最後に、私たちの方法の注目すべき特徴は、サンプル表面に多色で高解像度のパターンを作成できることです。この方法は、ステンシルの粒子サイズと製造精度によって制限されます。粒子サイズは、所望の忠実度を達成し、射出成形プロセスの流量を克服するために十分に小さくなければなりません。試験片のサイズと形状は、選択した金型のサイズと材料によってのみ制約されます。私たちは、室温で約20分のポットライフを持つシリコーンを利用して成功を収めた2インチの立方体を製造しました。
ステンシル製造法は、フィーチャーサイズの解像度と、粒子スプレーコーティング中に金型キャビティに忠実度の高いデザインを作成する能力に直接影響します。どのステンシル製造がパターニング方法の不可欠な部分であるかを慎重に検討します。ここでは、ステンシル調製技術の簡単なセットと、各手法で形成できる最小特徴サイズ(lmin)を提供します。まず、クラフトナイフで手作業でカットする:X-Actoナイフやユーティリティブレードなどの精密工具は、詳細で複雑なデザインに最適で、プラスチックシート、マイラー、厚紙(l最小≥1mm)などの素材とうまく機能します。第二に、はさみによる手切り:紙や薄いビニールなどの軽量素材に使用して、シンプルな形状で複雑でないデザインを作成できます(l最小≥1mm)。第三に、CricutやSilhouetteのような型抜き機:接着剤、ビニール、厚紙(l最小≥250μm)などの材料を使用して、複雑なデザインを精密にカットできます。第四に、レーザー切断:アクリル、木、または厚いプラスチックステンシル(l最小≥100μm)に適した複雑なパターンのためのハイテクオプション。第五に、熱切削工具:電気ホットナイフまたははんだごては、マイラーやその他の押し出しポリマーフィルム(l最小≥1 mm)などの熱可塑性ステンシル材料を介して溶かすことができます。この方法では、滑らかなエッジが生成されます。第六に、パンチング:小さくて反復的な形状に役立ち、軽量材料(l最小≥100μm)に最適です。最後に、コンピューター制御のルーターは、大規模または工業規模のステンシルプロジェクト(l分は異なります)に利用できます。
新しい製造プロトコルでは、プロセスの特定のステップが望ましい結果を達成するために重要です。私たちの方法では、強調し、特に注意を払うべき3つのステップがあります。最初の重要なステップは、エアブラシで塗布した粒子懸濁液からアルコールを完全に蒸発させ、粒子のみを金型表面に付着させることです。アルコールが完全に蒸発しない場合、射出成形プロセス中に金型のデザインがにじんだり、アルコールが未硬化の材料と混ざったりする可能性が高くなります。エアブラシのアルコール「塗料」に懸濁しているこれらの粒子は、アルコールが完全に蒸発した後に金型に付着するため、粒子のサイズは十分に小さくする必要があります。パーティクルのサイズは、注意すべき重要な制限です。粒子が大きすぎると、ファンデルワールス力が不十分になり、ゴムのような材料表面の表面に粒子を確実かつ恒久的に接着できなくなります。しかし、適切なサイズの粒子は、いくつかの市販の顔料供給業者から手頃な価格で容易に入手することができます。
2番目の重要なステップは、ステンシルを金型に一時的に保持する接着剤の量です。私たちの経験では、このステップを実行する最良の方法は、スプレー接着剤のクイックパスを1回使用することです。ステンシルが金型と完全に接触していることを確保しながら、接着剤をできるだけ少なくすることをお勧めします。指またはゴムヘラなどの適切な器具で金型のステンシルを手動で平らにすることで、コンフォーマルコンタクトを形成できます。ステンシルの開口部が金型に対して完全に平らでない場合、エアブラッシング中に粒子懸濁液がステンシルパターンのエッジの下に移動し、表面設計エッジのシャープネスが大幅に低下します。接着剤を使用しすぎると、ステンシルの除去が難しくなり、新しく塗布したデザインが損傷する可能性があります。また、接着剤が多すぎると、硬化過程で試料が金型に強く付着してしまい、試料にダメージを与えずに脱型を行うことがほとんどできなくなります。
3番目の重要なステップは、射出成形プロセス中の未硬化シリコーンの射出速度です。私たちの経験では、射出成形の流速が十分に遅いと、微粒子が金型に付着するファンデルワールス力に打ち勝たず、パターン化された粒子を乱さずに金型キャビティを充填できることがわかりました。パターンの汚れを防ぐのに十分な速度でありながら、シリコーンの硬化が始まる前に金型キャビティを満たすのに十分な速さの最適な射出速度を決定するには、いくつかの経験的試験が必要です。硬化性遅延剤は、より大きなボリュームの部品が作られる場合に混合物に追加することができます。材料の粘度と硬化時間によって、各材料のシステムに適した射出速度が決まります。
著者には、開示すべき利益相反はありません。
著者らは、パデュー大学が研究を実施するためのラボ施設を提供してくれたことを認めています。
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|---|---|---|---|
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| ミキシングカップ | ソロ | モデル番号:S-19462R | プラスチック製パーティーカップ www.uline.com |
| ステンシルの離型剤 | イーズリリース200&205 | エポキシ、ウレタン、RTVシリコーン金型製造用型式・型状離型剤 https://www.reynoldsam.com/ | |
| マイラーシート 3 ミル | ステンシルズオンラインLLC | NA | マイラーシート |ステンシル材質 www.stencilsonline.com |
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| ペーパータオル | ユーリン | S-7711 ユーライン | S-7711 Uline - 経済的な価格の吸収性タオル。2層 www.uline.com |
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| スプレーガン/エアブラシ | アナグマ | パトリオット105 | アナグマ パトリオット 105 エアブラシ https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp |
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