Name: 小ひずみにおける圧縮応力ひずみ応答の測定 (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2025-12-05T14:40:00.000+00:00
Duration: 2 min 58 s
Description: 学ぼう、小ひずみ圧縮試験による材料の機械的特性測定法。PDMSサンプルを用いた低コストデバイスで、微細構造やポリマー材料の応力ひずみ応答を正確に評価し、材料科学の研究を支援します。

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使用される消耗品、機器、ソフトウェアは 材料表に記載されています。
1. 測定システムのセットアップ
注: 図1 は圧縮試験に使用されるMSを示しています。z段はモーターコントローラーで制御されるリニアアクチュエータ、z軸に沿った実際の動きを提供する可動部品、そして支持する固定部品で構成されています。このシステムには、マイクロコントローラ基板、オペアンプ回路、ブロックに接続された力センサー、そしてノートパソコンも含まれています。
<ol>
	<li>モーターコントローラーを使って、動く部品を設定速度でz軸に沿って駆動し、試料に圧縮負荷をかけます。</li>
	<li>硬い金属ブロックの上に取り付けられた力センサーを使って荷重を測定します。収集された信号は反転増幅回路を通過し、マイクロコントローラ基板によってデジタル信号に変換され、その後マイクロコントローラ基板のソフトウェアに送信されます。</li>
	<li>図2に示すようにレーザー変位計を設置し、z段の垂直変位を検証します。モーターコントローラから入力信号を送信した後、z段の可動部品を垂直に動かします。組み込みリニアアクチュエータのリアルタイム変位データはシリアル通信ソフトウェアで記録されます。</li>
	<li>レーザー変位測定ソフトウェアを使って変位データを抽出し、検証のために比較します。 注意:力変位データはシリアル通信ソフトウェアで同時に記録されるため、ノートパソコン上で力変位曲線をリアルタイムで取得できます。</li>
	<li>デジタル顕微鏡を使って圧縮中の試料の変形を観察し記録します。 注:デジタル顕微鏡とレーザー変位計は、それぞれ試料観察と変位検証に使用されます。</li>
</ol>
2. 測定回路
注:図3は、力センサーの電気的等価回路と、静的な外部力による圧力変化を電圧に変換・増幅する測定回路の接続を示しています。回路は利得制御用の可変フィードバック抵抗(RF)、低周波カットオフとノイズ除去用のコンデンサ(CF)、そしてオペアンプで構成されています。ここで、外部からの力の大きさに応じて変化する力センサーの抵抗はRSであり、センサーおよび回路全体の供給電圧はVSです。反転増幅の特性を考慮すると、出力が常に正になるように負の電圧としてV Sが印加されます。
<ol>
	<li>可変フィードバック抵抗(RF)を並列に接続し、低周波カットオフとノイズフィルタリング用のコンデンサ(CF)を並列に接続してフィードバック回路を形成します。</li>
	<li>上記で組み立てたフィードバック回路の2つの端子を、演算増幅器の反転入力(−)と出力(VO)に接続します。</li>
	<li>圧力センサーの抵抗値(RS)の2端子をアンプの反転入力(−)および−VSに接続します。</li>
	<li>演算増幅器の非反転入力(+)をグラウンドに接続します。</li>
	<li>オペアンプの出力(VO)をマイコン基板の入力端子 A0に接続します。</li>
	<li>アンプのVDD端子とVSS端子を電源に接続します。V DDに5 Vを流し、VSSをグラウンドに接続します。 注:このアンプの電圧設定は、出力センサーに付属するデータシートに示された方法に従い、出力電圧を0-5Vの範囲に制限します。図3はフォースセンサーの等価回路と反転アンプ回路を示しています。静的な外部負荷がかかると、センサー抵抗(RS)が変化し、センサー電流(iS)は供給電圧VS(センサーの基準電圧)とRSの比率に従って流れます。これは出力電圧(VO)とフィードバック抵抗(RF)の比率で定義される出力電流(iO)に相当します。図3のノードaにキルヒホッフの現在の法則を適用すると式(1)が得られます。 
	<img alt="式1" src="/files/ftp_upload/69680/69680eq1.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1783400419000" data-alt="Equation 1">(1) VOは、非常に低周波の外部負荷(ω ≅ 0)下での式(2)によって定義されます。 
	<img alt="式2" src="/files/ftp_upload/69680/69680eq2.jpg" style="margin: auto;" data-altupdatedat="1783400419000" data-alt="Equation 2">(2)</li>
</ol>
3. 試料調製(PDMS)および充填
<ol>
	<li>圧縮試験サンプルのASTM D575-91規格を確認してください。 注: 図4A は、PDMS鋳造前にクリーンな状態で準備された2つの3Dプリント円筒型金型を示しています。1つは標準サンプルと同じ円筒形(直径28.6 mm ± 0.1 mm、高さ12.5 mm± 0.5 mm)で設計されており、もう1つは力センサーの有効感知領域に合わせて約3分の1に縮小されたサイズ(直径9.53 mm)です。</li>
	<li>PDMSを試験材料として使用し、基底ポリマーと硬化剤を質量比10:1で混合します。</li>
	<li>よくかき混ぜた後、室温(25°C)と60kPa(計量計)で真空乾燥器を使って30分間空気泡を除去します。</li>
	<li>使い捨てシリンジを使って、2つの3Dプリント型それぞれに8mLの混合物を注入してサンプルを成形します。</li>
	<li>すべてのサンプルは室温で追加の熱処理なしで24時間硬化します。 注: 図4B は製作されたPDMSサンプルを示しており、標準サンプルと縮小サンプルの比較を可能にするため、各サイズのサンプルが3つずつ同じ条件下で準備されました。 図4C は圧縮試験セットアップで力センサーに置かれたPDMSサンプルを示しています。試料は円形の感知領域を中心に位置し、その底面は力センサーの活性領域に完全に接触していました。</li>
	<li>可動部品をセンサーに垂直に合わせ、試料の中心に合わせて通常の圧縮荷重をかけます。</li>
</ol>
4. RF キャリブレーション
注意:RFは反転増幅回路の出力電圧を決定する重要な要素であるため、RFの調整はMSの精度と信頼性を確保するために不可欠です。
<ol>
	<li>力センサーをMTS(100Nロードセル)の試料取り付け部に取り付け、実験負荷制限を4.4Nに設定します。</li>
	<li>MTSを用いて、さまざまなR-F条件下で圧縮試験を行い、力センサーからの力時間データを少なくとも3回記録します。</li>
	<li>力センサーから得られる力時間データとMTS測定データを比較して誤差を計算します。</li>
	<li>較正結果に基づいて、最小誤差をもたらす RF 値を決定します。 注:力センサーの最大測定範囲は4.4 Nです。この値を超える負荷は出力飽和を引き起こすため、実験条件設定時には注意が必要です。 RF 値を調整することで、回路の利得をMTSデータに最適化でき、これはシステムの全体的な測定精度を確保するための重要なステップです。</li>
</ol>
5. 垂直変位の検証
<ol>
	<li>変位検証のために、z段の可動部品の上部にアルミニウム反射鏡付きの顕微鏡スライドを取り付けます。</li>
	<li>レーザー変位センサーをオンにしてください。</li>
	<li>レーザーセンサー信号の信号が安定しているか確認してください。 注意:センサーのレーザー発光LEDが緑色であることを確認してください。オレンジ色の場合は、アルミニウムの反射層が正しく反射していないか、測定範囲(&lt;1 mm)を超えている可能性があるため、調整が必要です。</li>
	<li>モーターコントローラーを使って駆動速度を設定し、動く部品が目標速度1 μm/sで動くようにします。設定は以下の通りに適用します:<ol>
		<li>モーター制御ソフトを起動しろ。</li>
		<li>ホーム検索を押してホーミング(キャリブレーション)を行ってください。</li>
		<li>ドライブ速度を設定するには、 パラメータ/モード&lt; パラメーター&lt;ドライブスピードに行き、それぞれの値(5、10 、 100)を入力してダイアログボックスを閉じます。</li>
		<li>各速度設定を適用するには、「 スピードセレクト 」を選択し、 5、10 、 100のいずれかを選択します。</li>
		<li>希望の移動距離を設定するには、プリセット値の 27,320ポイント を入力し、+(スタート)ボタンを押してください。 注:事前設定値27,320点の場合、1点は0.0366μmに相当するため、可動部品は合計1000μm下降します。モーター制御ソフトウェアは圧縮試験中のモーターコントローラー操作に一貫して使用されています。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>可動部品がz軸に沿って動いている間、内蔵リニアアクチュエーターからモーター制御ソフトウェア で 変位データを記録し、レーザー測定ソフトウェア で レーザー変位データを記録します。<ol>
		<li>レーザー変位測定ソフトウェアを起動してください。</li>
		<li>コントロール設定については、 起動設定を選択し&lt;コントローラー設定を読み取り 、 OKを押してください。</li>
		<li>Common設定&lt;サンプリングでサンプリング時間を100μs(サンプリングサイクル:100)に設定し、設定を保存してコントローラーに送信します。</li>
		<li>レーザー変位を監視するには、「 測定値の表示」&lt;測定値取得を開始し、変位データを観察してください。 注:サンプリング時間は10 ms(100μs×100サイクル)に設定されており、十分な時間分解能でレーザー変位データを取得し、安定した測定のために信号ノイズを最小限に抑えます。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>両ソースからの記録された変位データを比較し、変位誤差を評価し、各ドライブ速度設定(5、10、100)で変位値が一致していることを確認します。これにより、目標速度条件下での変位測定の信頼性と再現性が保証されます。</li>
</ol>
6. 縮小サンプルの機械的特性評価
<ol>
	<li>両面テープでブロックの上部に力センサーを取り付け、マイクロコントローラ基板ソフトウェアのシリアルモニターを使って初期負荷が0であることを確認し、必要に応じてキャリブレーションを行います。<ol>
		<li>マイクロコントローラボードのソフトウェアを開いて起動します。</li>
		<li>ボード接続とポートを設定するには、検索ボード&lt;「他のボードとポート&lt;選択」を選択し、Arduino Unoを選択してOKを押してください。</li>
		<li>マイコン基板の制御コードを入力し、「 検証」→「 アップロード」をクリックします。</li>
		<li>負荷の読み取りを確認するには、 シリアルモニター&lt;ツールにアクセスしてください。 注:マイコン基板制御コードは 補足ファイル1に記載されています。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>試料を力センサーの有効感知領域の中心に安定して配置します。 注意:試料がセンサーの有効領域から中心からずれていると、荷重が非対称に加えられ、大きな測定誤差が生じます。</li>
	<li>モーターコントローラーを使ってホーミング(ゼロ調整)を行い、ドライブ速度を以前に検証した値に設定します。</li>
	<li>z段の可動部分を軸方向(下向き)に駆動し、試料に荷重をかけます。</li>
	<li>下部に取り付けられた力センサーが試料に伝達する力をリアルタイムで測定します。</li>
	<li>マイコン基板に接続された反転増幅回路 を通じて 力と変位データをノートパソコンに送信し、シリアル通信ソフトウェアを使って力と変位を同時に記録します。<ol>
		<li>シリアル通信ソフトを起動してください。</li>
		<li>力データを記録するためにマイコンボードソフトウェアに接続してください: 接続&lt;オプション&lt;シリアルポートオプション&lt;ポートから適切なポートを選択し、 OKを押してください。</li>
		<li>変位データを記録するためにモーター制御ソフトに接続してください。接続 &lt;オプション&lt;シリアルポートオプション&lt;ポートに行き、適切なポートを選択して OKを押してください。</li>
		<li>リアルタイムデータ送信を開始するには、接続 &lt; &lt;ファイルキャプチャ&lt;開始へ行ってください。</li>
		<li>データを停止して保存するには、 接続&lt;ファイルキャプチャ&lt;停止して保存してください。</li>
	</ol>
	</li>
	<li>変位データを、長さの変化(ΔL)を試料の初期長さ(L₀)で割ることでひずみに変換します。すなわちひずみ = ΔL/L₀ です。</li>
	<li>同時に、記録された力データを試料の断面積(A)で割ることで応力に変換します。すなわち応力=F/Aとなります。</li>
	<li>図7 は縮小されたPDMS試料の応力ひずみ曲線を示しています。グラフ解析ソフトウェアを用いて、初期の小ひずみ領域の傾きを計算して圧縮率を算出します。 注意:データの一貫性と信頼性を確保するために、すべての圧縮テストは同じ条件下で少なくとも3回実施してください。本研究では、3回の繰り返し測定から得られたPDMSの圧縮率は1.39 MPa±3.7%でした。</li>
</ol>

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<li>Babapour, F., Faraji Rad, Z., Ganji, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanics+of+dissolving+microneedles+insertion+into+the+skin%3A+Finite+element+and+experimental+analyses%5BTitle%5D)+AND+%22J+Appl+Polym+Sci%22%5BJournal%5D)">Mechanics of dissolving microneedles insertion into the skin: Finite element and experimental analyses.</a> J Appl Polym Sci. 141, e55973(2024).</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>3Dプリンター</td><td>ストラタシス</td><td>オブジェ30プライム</td><td>2種類のPDMS金型の製造</td></tr><tr><td>アルミニウム</td><td>寧波・フェイバード商品</td><td>シリコーンオイルホイル(ノンスティックホイル01)のコーティング</td><td>垂直変位測定のためのレーザー反射体の形成</td></tr><tr><td>ブレッドボード</td><td>Eコール</td><td>EIC-108J</td><td>実験回路構成の場合</td></tr><tr><td>キャパクティア(CF)</td><td>ノールズ / コーネル・デュビリエ(CDE)</td><td>CD15ED470GO3F</td><td>増幅回路のノイズフィルタリングおよび安定化</td></tr><tr><td>デジタル顕微鏡</td><td>ヒロックス</td><td>KH-7700</td><td>試料形状の観察と寸法検証</td></tr><tr><td>力センサー</td><td>テクスキャン</td><td>フレキシフォース A301-1</td><td>荷重測定、解像度、線形性は重要です</td></tr><tr><td>グラフ解析ソフトウェア</td><td>オリジンラボ</td><td>オリジンプロ 2024</td><td>グラフ解析</td></tr><tr><td>ノートパソコン</td><td>どんなものでも</td><td>どんなものでも</td><td>ソフトウェア制御のコア要素</td></tr><tr><td>レーザー変位測定ソフトウェア</td><td>キーエンス・コーポレーション</td><td>LK-ナビゲーター 1.52</td><td>垂直変位測定ソフトウェア</td></tr><tr><td>レーザー変位計</td><td>キーエンス・コーポレーション</td><td>LK-G10</td><td>垂直変量測定装置</td></tr><tr><td>マイクロコントローラボード</td><td>Arduino</td><td>A000067</td><td>Arduino/STMベースのボードを含むシステム信号全体のメイン制御ユニット</td></tr><tr><td>マイクロコントローラ基板ソフトウェア</td><td>Arduino</td><td>Arduino IDE 2.3.3</td><td>システム信号制御ソフトウェア全体</td></tr><tr><td>顕微鏡スライド</td><td>LKラボ・コリア</td><td>M08-660-147</td><td>垂直変位測定用のレーザーリフレクター</td></tr><tr><td>モーター制御ソフトウェア</td><td>NOVAエレクトロニクス</td><td>MR220A 1.0.3</td><td>リニアアクチュエータ制御ソフトウェア</td></tr><tr><td>モーターコントローラー</td><td>サイエンスタウン</td><td>STM-1-USB</td><td>Zステージリニアアクチュエータの駆動制御</td></tr><tr><td>MTS</td><td>ロイド・インスツルメンツ</td><td>01/2962</td><td>商用引張・圧縮試験機、測定結果の参照機器</td></tr><tr><td>オペアンプ</td><td>マイクロチップ技術</td><td>OPA404KP</td><td>力センサー信号の増幅、キー回路部品</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>ダウ・コーニング</td><td>4019862</td><td>試料製造用の材料</td></tr><tr><td>シリアル通信ソフトウェア</td><td>ロジャー・マイヤー</td><td>クールターム 2.3.0</td><td>force&ndashのシリアル通信;変位データ</td></tr><tr><td>真空乾燥機&nbsp;</td><td>iNexus</td><td>インVS</td><td>PDMS製造中の気泡除去に使用されます</td></tr><tr><td>可変フィードバック抵抗(RF)</td><td>BIテクノロジーズ/TTエレクトロニクス</td><td>P160KN-0QD15B10K</td><td>オペアンプの利得調整、センサーキャリブレーションの鍵</td></tr><tr><td>Zステージ</td><td>サイエンスタウン</td><td>SMX-8060-X</td><td>排気量適用および圧縮試験用の駆動ユニット、垂直制御用のコア</td></tr></tbody></table>

小ひずみにおける圧縮応力ひずみ応答の測定

Measurement of Compressive Stress-Strain Response at Small-Strains

本研究では、小規模実験室に適した力センサーベースの圧縮試験装置を成功裏に実装し、高精度かつ再現性が高いものとなりました。この装置は、従来の商用機器の高コストかつ大サイズ、そして小ひずみ変形の測定効率の低下を克服するために開発されました。
図5は、反転増幅回路の出力電圧の利得を決定する重要な要素である RF 値の最適化結果を示しています。MTSで測定された結果は、グラフ解析ソフトウェアでMSの結果と並べて分析され、誤り率は±2.0%以内であることが確認されました。これらの結果により、MSの正確性と信頼性が保証されました。
図6は、レーザー変位計で測定された変位と、モーター制御ソフトウェア を通じて z軸リニアアクチュエーターが記録した変位データを比較したグラフを示しています。これは、z段の可動部分がz軸に沿って異なる速度で移動する際に行われます。ステージ...

This study developed a measurement method capable of precisely evaluating the mechanical behavior of materials and microdevices in the small-strain ...

measurement-of-compressive-stress-strain-response-at-small-strains

Research

JoVE Journal

Engineering

工学

私たちは、一軸引張試験を受けた血管組織サンプルの局所的な表面ひずみ場を特徴付けるために、デジタル画像相関の使用について説明します。これらの測定により、サンプルの機械的応答の正確な定量化と、構成的な応力-ひずみ関係の生成が容易になります。...

デジタル画像相関を使用すると、血管の組織標本のローカル株を特徴づけるために、

マイクロ/ナノスケールでの高精度ひずみ分布測定のための2ピクセルおよびマルチピクセルサンプリング方法を特徴とするサンプリングモアレ技術をここに示します。...

サンプリングモアレ縞からのマイクロ/ナノスケールひずみ分布測定

亜粒レベルで累積的な変形場を明らかにするき裂成長速度測定場とひずみ場解析を組み合わせた新しい方法論的アプローチを用いた微視組織的微小疲労き裂の成長挙動を調べた。...

全視野ひずみ測定における微視組織的微小疲労き裂の伝ぱデジタル画像相関法を用いた

改良された3Dプリンターを用いて製造された増幅機構とポリジメチルシロキサン顕微鏡からなる歪み測定センサを紹介します。...

改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

この論文では、腱の外植片内の局所的な2D組織ひずみを測定するためのオープンソースのデジタル画像相関アルゴリズムについて説明します。この手法の精度は、複数の手法を使用して検証されており、一般に利用できます。...

オープンソースのデジタル画像相関 による 腱の局所組織ひずみの測定

本論文では、界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体中の球状粒子の末端沈降速度を測定する実験手順を示す。多様なレオロジー特性を超える流体が準備され、平行な壁の間の無限の流体および流体の粒径の範囲に対して、沈降速度が測定されます。...

閉じ込められていない狭間性界面活性剤ベースの剪断間粘弾性流体における球状粒子の沈降速度の実験的測定

固体冷却過程の調査と形状記憶合金(SMA)の弾性材料特性の評価のための実験的方法が紹介されています。カスタムメイドのテストリグは、エラストカロリー冷却プロセスの制御と包括的な監視のために設計されています。さらに、熱機械連成モデリングアプローチの検証プラットフォームを提供します。...

形状記憶基づきElastocaloric冷却プロセスの調査とモデル検証のための実験方法

選択した誘電体微粒子を空中に発射し、安定して捕捉するためのプロトコルが提示されます。...

空気中の誘電体微粒子の光学トラップのロード

圧力上昇率法を使用して、通常の鋼製真空チャンバーからの水素のガス放出速度を測定するためのプロトコルが提示されます。...

鋼のガス放出速度の測定

最適化されたサンプリングプロトコルと新しいワイプ材料の開発は、ワイプサンプリングからの収集効率の標準化された測定によって促進されます。トレース爆薬のサンプリングに対する当社のアプローチでは、ワイプサンプリング中に自動装置を使用して速度、力、距離を制御し、その後に収集した爆薬を抽出します。...

トレース爆発物のワイプサンプリングから収集効率を測定するための標準化された方法

学ぼう、小ひずみ圧縮試験による材料の機械的特性測定法。PDMSサンプルを用いた低コストデバイスで、微細構造やポリマー材料の応力ひずみ応答を正確に評価し、材料科学の研究を支援します。

小ひずみにおける圧縮応力ひずみ応答の測定

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