Method Article

미세한 입자의 영구적이고 견고한 스텐실 패턴을 엘라스토머 표면에 적용

DOI:

10.3791/68576

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July 8th, 2025

 ,  , 
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

In This Article

Summary

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

실리콘 표면에 미세한 입자를 부착하여 실리콘 표면에 영구적인 표시와 패턴을 적용하는 방법을 제시합니다. 마킹은 인식 가능한 디자인일 수도 있고 디지털 이미지 상관 관계에 사용되는 것과 같은 임의의 스페클 패턴일 수도 있습니다.

Abstract

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

엘라스토머 복합재를 위한 비선형의 대형 변형 모델을 개발하는 것은 소프트 로보틱스, 보철물 및 충격 완화(예: 운동용 헬멧 및 패딩)의 응용 분야에서 지속적인 과제입니다. 우리의 연구 목표는 재료 거동을 예측하고 정확한 시뮬레이션을 생성하는 모델을 개발하는 것입니다. 연구를 진행하면서 우리는 표면장 변형을 실험적으로 포착해야 할 필요성을 인식했으며, 이를 통해 강력한 구성적 관계를 개발할 수 있었습니다.

디지털 이미지 상관관계(DIC) 및 그리드 추적과 같은 일반적인 광학 추적 기술에서는 표면 변위 필드를 추적하고 계산하기 위해 표본 표면에 패턴이 필요합니다. 그러나 경화된 실리콘과 같은 대부분의 엘라스토머 재료의 고유한 낮은 표면 에너지는 표면의 영구적인 마킹을 억제합니다. 즉, 시편을 다룰 때 쉽게 닦겨지거나 번지지 않는 재료에 표면 추적 패턴을 부착하는 것은 거의 불가능합니다. 또한 대규모 변형 실험으로 인해 원래 표면 패턴이 뒤틀리거나 균열이 생기거나 벗겨질 수 있습니다.

여기에서는 엘라스토머 부품의 반응성 사출 성형 전에 금형 내부 표면에 있는 분말 표시의 스프레이 주조 패턴을 스프레이하는 새로운 방법을 제시합니다. 우리는 제조 과정에서 영구적이고 충실도가 높은 표면 패턴을 실리콘 또는 엘라스토머 시편에 적용할 수 있는 이 간단한 방법을 개발했습니다. 표면 패턴은 DIC에 사용되는 무작위 스페클 패턴에서 상세한 다색 패턴에 이르기까지 다양합니다. 이 새롭고 견고한 패턴은 페이딩이나 균열 없이 큰 변형 반복 하중을 견딜 수 있으며 실험실 및 산업 환경에서 실리콘을 쉽게 마킹할 수 있습니다.

Introduction

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

고급 하중 시나리오에서 큰 변형 재료를 특성화하면 비균질 변형률 1,2,3,4,5가 생성되는 경향이 있습니다. 이 비균질한 변형을 정확하게 모델링하기 위해 실험자는 표면 또는 체적 운동학을 캡처해야 합니다. 표면 또는 체적 운동학을 획득하는 데 사용되는 가장 일반적인 기술을 광학 추적 기술이라고 합니다. 디지털 이미지 상관관계(Digital Image Correlation, DIC)와 그리드 추적(grid tracking)은 표면 운동학에 대한 문헌에서 가장 일반적인 두 가지 광학 추적 기술이며, 둘 다 시편 6,7 표면에 가시적인 패턴을 필요로 합니다.

벌크 매트릭스에 부유하는 미세한 철 입자가 있는 벌크 실리콘으로 구성된 자기유변학적 엘라스토머(MRE)를 생각해 보십시오. 시편은 경계에서의 고전적인 기계적 하중과 비접촉력으로 분류된 적용된 자기장에서 동시에 변형될 수 있습니다. 이 시나리오와 다른 유사한 하중 시나리오에서는 일반적인 하중 모드에서 균일한 변형률 가정이 더 이상 유효하지 않기 때문에 실험자가 표면 운동학을 캡처하는 것이 필수적입니다. 고무와 같은 표본의 표면을 표시하는 여러 기술이 존재하는데, 예를 들어 단순히 고대비 마커 또는 페인트 2,6을 사용하는 것과 같습니다. 실험가들은 또한 표본 3,5를 표시하기 전에 생물학적 조직 표본에 화장품 기초를 적용했습니다. 두 경우 모두 목표는 표본에 영구적인 표시와 충실도가 높은 표시를 모두 부착하는 것입니다. 영속성은 취급 및 주기적인 기계적 시험 중에 시편 표면에서 표시가 희미해지거나 벗겨지는 것을 방지하는 데 필요합니다. 높은 라인 해상도 또는 "충실도"는 정확한 이미지 분석 및 변형 추적을 위해 필수적입니다.

여기에서는 시편을 만든 후가 아니라 제조 중에 시편 표면에 미세 입자를 부착하여 실리콘 샘플에 영구적인 고해상도 마킹을 적용하는 방법을 제시합니다. 복잡한 다색 디자인이든 DIC에 사용된 무작위 스페클 패턴이든 원하는 패턴은 사출 성형 공정 전에 금형 캐비티 내부에 적용됩니다(그림 1). 미세 입자는 알코올에 현탁 된 후 에어 브러시 또는 유사한 도구를 사용하여 도포됩니다. 패턴이 금형에 적용됩니다. 알코올이 증발하면 금형이 닫히고 경화되지 않은 열경화성 엘라스토머 재료가 금형에 주입됩니다. 경화 후 패턴이 표면에 영구적으로 박힌 상태로 고체 시편을 제거합니다.

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그림 1: 실리콘 표면에 고충실도 패턴을 부착하기 위한 순서도 프로토콜. 프로세스에 대한 순서도 또는 의사 결정 트리입니다. 순서도에서 각 단계의 이 번호 지정 및 레이블은 프로토콜 설명에 해당합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Protocol

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

주의: 적절한 개인 보호 장비(PPE)는 안경, 실험실 가운, N95 마스크, 귀마개 및 비라텍스 장갑으로 구성됩니다. 비라텍스 장갑(즉, 니트릴)은 라텍스 장갑이 백금 실리콘 표본의 경화 과정을 억제하기 때문에 필요합니다.

1. 초기 준비

  1. 금형의 초기 준비
    1. 비누와 물로 곰팡이를 청소하고 곰팡이를 말리십시오. 이소프로필 알코올로 금형을 닦고 금형을 자연 건조시킵니다.
  2. 스텐실의 초기 준비
    1. 비누와 물로 스텐실을 청소하고 스텐실을 건조시킵니다. 이소프로필 알코올로 스텐실을 닦고 스텐실을 자연 건조시킵니다.
  3. 에어 브러시의 초기 준비
    알림: 사용된 공기 압축기의 유형에 따라 귀 보호가 필요할 수 있습니다. 에어 브러시를 사용할 때 흄 후드가 필요합니다.
    1. 공기 압축기를 에어 브러시에 부착하고 공기 압축기를 적절한 전기 콘센트에 꽂은 다음 공기 압축기를 켭니다. 적절한 PPE가 있는 흄 후드 내부에 에어 브러시에 이소프로필 알코올을 채우고 이소프로필 알코올을 여러 번 흘려보내 에어 브러시를 청소합니다.
      알림: 에어 브러시는 매번 사용 후에 청소해야 합니다. 스텐실을 사용하는 경우 섹션 2로 진행합니다. 스텐실을 사용하지 않는 경우(예: DIC 반점 패턴 적용) 섹션 3으로 진행합니다.

2. 스텐실 금형 준비

주의 : 스프레이 접착제 또는 곰팡이 이형을 취급할 때 흄 후드가 필요합니다.

  1. 스텐실에 스프레이 접착제를 바릅니다.
    1. 적절한 PPE가 있는 흄 후드 내부에서 종이 타월에 스텐실을 놓고 스프레이 접착제를 스텐실에 한 번 코팅합니다. 스텐실에 접착제를 분사할 때 스프레이 노즐을 스텐실에서 약 30cm 떨어진 곳에 유지하고 부드럽고 연속적인 동작으로 분사하십시오. 스텐실이 끈적거리지만 더 이상 젖지 않을 때까지 30초에서 60초 동안 기다렸다가 2.2단계를 진행합니다.
      참고: 한 번의 패스만 필요합니다. 접착제가 너무 많으면 나중에 금형에서 스텐실을 제거하는 것이 복잡해집니다.
  2. 스텐실을 금형에 부착합니다.
    1. 적절한 PPE가 있는 흄 후드 내부에 종이 타월 위에 곰팡이를 놓습니다. 접착제를 방해하지 않도록 깨끗한 비라텍스 장갑으로 스텐실을 조심스럽게 집어 올리고 스텐실의 접착면이 금형과 접촉하도록 스텐실을 금형에 놓습니다. 금형과 균일하게 접촉하도록 한 손가락으로 스텐실을 단단히 움직여 스텐실을 평평하게 만듭니다.
      참고: 확산 패턴 가장자리를 피하고 날카로운 형상을 유지하려면 금형과의 균일한 접촉이 필요합니다.
  3. 스텐실 테이프를 금형에 놓습니다.
    1. 화가의 테이프를 사용하여 스텐실의 가장자리를 틀에 테이프로 붙입니다. 4단계로 진행합니다.
      알림: 이 단계는 스텐실 가장자리가 금형에서 분리되는 것을 방지하기 위해 스텐실이 금형에 고정되도록 합니다.

3. DIC 스페클 몰드 준비

  1. DIC Speckle을 위해 금형에 이형을 적용합니다.
    1. 적절한 PPE가 있는 흄 후드 내부에서 금형 캐비티 표면이 위를 향하도록 종이 타월 위에 금형을 놓습니다. 금형에 금형 이형을 한 번 코팅하여 금형에 이형을 적용합니다. 금형에 이형물을 분무할 때 스프레이 노즐을 금형에서 약 12인치 떨어진 곳에 유지하고 부드럽고 연속적인 동작으로 분무하십시오.
      참고: 한 번의 패스만 필요합니다. 그러나 너무 많은 이형은 문제가 되지 않습니다.

4. 에어브러시 준비

알림: 미세 분말을 취급할 때는 흄 후드와 N95 마스크가 필요합니다.

  1. 미세 분말 현탁액의 초기 준비
    1. 적절한 PPE가 있는 흄 후드 내부에 이소프로필 알코올과 미세 분말(흑연 또는 착색 안료)의 45mL 현탁액을 준비합니다(그림 2). 이렇게 하려면 그림 2A와 같이 깔때기나 작은 숟가락을 사용하여 시험관에 약 10mL의 미세한 분말을 넣고 이소프로필 알코올을 첨가하여 시험관의 남은 부피를 총 부피 45mL로 채웁니다. 시험관을 밀봉하고 세게 흔듭니다(결과 현탁액의 예는 그림 2C 참조).
      알림: 에어 브러시 노즐이 막히지 않도록 이때 에어 브러시를 채우지 마십시오.
  2. 분무하기 전에 에어 브러시를 채웁니다(그림 2D).
    알림: 이 단계는 에어 브러시를 사용하기 직전에 수행해야 합니다. 에어 브러시가 막힐 수 있으므로 에어 브러시는 에어 브러시 용기의 파우더 서스펜션과 함께 유휴 상태로 두어서는 안 됩니다.
    1. 4.1단계에서 미리 혼합된 서스펜션을 다시 흔듭니다. 에어 브러시 용기 부피의 75%가 채워질 때까지 서스펜션을 에어 브러시 용기에 붓습니다.
      알림: 에어 브러시의 각도로 인해 엎질러질 수 있으므로 에어 브러시 용기를 완전히 채우지 마십시오. 스텐실을 사용하는 경우 섹션 5로 진행합니다. 스텐실을 사용하지 않는 경우 섹션 6으로 진행합니다.

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그림 2: 흑연 용액으로 에어브러시 준비. (A) 시험관에 흑연 분말을 넣는 단계; (B) 흑연 분말 10mL; (C) 이소 프로필 알코올과 흑연 분말의 용액. (D) 사용 직전에 에어브러시를 채우십시오. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

5. 금형에 스텐실을 분사합니다(그림 3).

  1. 미세 입자 현탁액 분사
    1. 공기 압축기를 켭니다. 압축기 공기 압력이 1.38-1.72bar(20-25psi)인지 확인하십시오.
    2. 흄 후드에서 스프레이가 90° 각도로 적용되도록 부착된 스텐실이 있는 금형의 방향을 수직에서 약간 벗어난 각도로 지정합니다. 에어 브러시를 금형 측면에서 약간 떨어뜨려 스프레이가 금형 앞이나 앞에서 시작되도록 합니다.
    3. 에어 브러시 방아쇠를 부드럽게 뒤로 당깁니다. 에어 브러시가 분사되기 시작하면 서스펜션의 첫 번째 코팅을 부드럽게 적용합니다. 스텐실과 주형에 현탁액을 분사할 때 스프레이 노즐을 표면에서 약 30cm 떨어진 곳에 유지하고 그림 3C와 같이 부드럽고 연속적인 동작으로 분사합니다.
    4. 에어 브러시 방아쇠를 놓고 미세 입자 현탁액이 표면 전체에 균일하게 적용되는지 관찰합니다. 필요한 경우 스텐실과 금형 표면에 서스펜션의 추가 층을 적용합니다.
  2. 금형에서 스텐실 제거(그림 4)
    1. 스텐실을 제거하기 전에(최소 180-300초) 미세 입자가 눈에 띄게 건조될 때까지 기다리거나 현탁액이 번질 수 있습니다. 스텐실의 음의 공간은 이소프로필 알코올이 증발함에 따라 미세 입자 분말로 채워진 것처럼 보일 것입니다.
    2. 금형의 상단(짧은 끝)에서 화가의 테이프를 제거하고 화가의 테이프를 천천히 부드럽게 위로 당깁니다. 스텐실은 그림 4A와 같이 화가의 테이프와 함께 분리됩니다.

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그림 3: 흑연 용액의 에어브러시 적용. (A) 프로토콜 섹션 2에서 준비된 금형. (B) 분무하기 전에 원형 구멍의 정사각형 배열이 있는 스텐실. (C) 준비된 금형에 용액을 분사합니다. (D) 스프레이 후 그리드 스텐실. 스케일 바 = 2mm(B,D). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 4: 스텐실 제거 및 패턴화된 금형 표면 검사. (A) 금형에서 스텐실 제거. (B) 알코올이 증발하도록 한 후의 성형의 예. (C) 사출 성형 전 금형의 그리드 확대 보기. 스케일 바 = 1mm(C). 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

6. 스텐실 없이 금형을 스프레이합니다.

  1. 금형에 DIC 반점 패턴 스프레이(그림 5)
    1. 공기 압축기를 켭니다. 압축기 공기 압력이 0.34-0.69bar(5-10psi)인지 확인하십시오.
    2. 흄 후드에서 스텐실이 없는 금형을 수직에서 약간 벗어난 각도로 배치하여 스프레이가 90° 각도로 적용되도록 합니다.
    3. 스페클 패턴이 적절한지 확인하기 위해 여분의 종이를 조준하면서 방아쇠를 짧게 압축하여 에어 브러시를 테스트합니다(공간적으로 무작위로 분포, 실험 이미징 설정의 배율을 위한 올바른 스폿 크기 분포).
    4. 금형 위로 방아쇠를 당겨 그림 5C와 같이 금형에 반점 패턴을 만듭니다. 미세 입자가 눈에 띄게 건조될 때까지(최소 180-300초) 기다리거나 현탁액이 번질 수 있습니다.
      알림: 스페클 크기는 공기 압력을 변경하여 조정할 수 있습니다.

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그림 5: 금형에 무작위 패턴 스프레이. (A) 에어 브러시 트리거를 튕겨 얼룩 패턴을 만듭니다. (B) 금형의 얼룩 패턴. (C) 금형의 얼룩 패턴. (D) 확대된 반점 패턴. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

7. 금형 조립(그림 6)

  1. 금형을 조립합니다.
    1. 사출 성형 공정을 준비하기 위해 금형을 부드럽게 조립합니다.
      참고: 실험자는 사출 성형 공정을 수행하기 전에 최소 며칠 동안 일시 중지할 수 있습니다. 미세 입자가 번지는 것을 방지하기 위해 사출 성형 속도를 줄여야 합니다.

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그림 6: 금형 조립. (A) 완전히 조립된 플레이트 및 디스크 몰드, (B) 디스크 몰드 조립, (C) 플레이트 몰드 조립. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Results

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

특정 재료의 기계적 특성을 나타내는 모델을 추구하는 실험자의 경우 다양한 형상을 가진 표본 세트로 여러 가지 다른 실험을 실행해야 합니다. 이 기술을 사용하여 만든 표본의 예가 그림 7에 나와 있습니다. 그림 7A는 흰색 표본에 검은색 그리드 디자인이 있는 Ecoflex 실리콘 플레이트를 보여줍니다. 표시된 면에는 검은색 그리드가 있고 뒷면에는 검은색 DIC 반점이 있습니다. 그림 7B는 검은색 표본에 흰색 격자 디자인이 있는 Ecoflex 실리콘 플레이트를 보여줍니다. 그림 7A에 표시된 시편과 마찬가지로 그림 7B의 시편은 그림 6A에 표시된 준비된 주형에서 성형된 뒷면에 DIC 스페클 패턴이 있습니다. 그리드와 DIC 스페클 패턴을 모두 사용하여 흰색 바탕에 검은색 디자인과 흰색 디자인을 모두 만드는 이 패턴은 그림 7의 패널 C, D, F 및 G에 표시된 실린더와 큐브 표본에도 표시됩니다. 그림 7E는 흰색 바탕에 파란색 격자가 있는 플레이트의 예를 제공합니다.

그림 8은 사출 성형 유속이 너무 높아 패턴이 불량한 샘플을 나타냅니다. DIC 스페클 패턴이 번져서 입자가 줄무늬로 퍼집니다. 이 표본은 번짐을 명확하게 설명하기 위해 의도적으로 희박한 DIC 반점 패턴으로 제작되었습니다. 이 방법을 통해 실험자는 더 나은 DIC 결과 7,8,9, 특히 작은 변형률 실험을 위해 필요한 경우 더 조밀한 스페클 패턴을 배치할 수 있습니다. 다양한 밀도의 스페클 패턴이 그림 9B,C에 나타나 있습니다. 그림 10은 성공적인 광학 추적을 보여주기 위해 DIC 스트레인 필드 컬러 맵 오버레이와 함께 이 방법을 사용하여 제조된 실리콘 플레이트의 이미지를 보여줍니다.

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그림 7: 실험에 사용된 표본의 예. (A) 단축 장력에 검은색 격자 점이 있는 흰색 플레이트. (B) 단축 장력의 흰색 격자 점(스텐실 패턴)이 있는 검은색 플레이트. (C) 흰색 격자 점이 있는 검은색 실린더. (D) DIC 스페클 패턴이 있는 검은색 실린더. (E) 파란색 그리드 도트 (F) 흰색 그리드 점과 DIC 스페클 패턴이 있는 흰색 큐브. (G) 흰색 격자 점이 있는 검은색 큐브. 스케일 바 = 1mm(E), 1cm(AD,F,G). 약어: DIC = 디지털 이미지 상관 관계. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 8: 사출 성형 속도가 너무 빠르고 얼룩덜룩한 패턴이 번진 시편의 예. 사출 성형 흐름 방향은 이미지 하단을 가로지르는 가로 화살표로 표시됩니다. 비스듬한 화살표는 번진 패턴의 여러 줄무늬의 위치를 나타냅니다. 스케일 바 = 2mm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 9: 광학 추적에 사용되는 이미지 디자인의 예. (A) 광학 추적을 위한 그리드 패턴의 예, (B) 광학 추적을 위한 희소 DIC 스페클 패턴의 예, (C) 광학 추적을 위한 조밀한 DIC 스페클 패턴의 예. 눈금 막대 = 1cm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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그림 10: 단축 장력 실험 이미지 위에 오버레이된 디지털 이미지 상관 변형률 필드의 예. 스트레인은 y 방향으로 적용되며, 글로벌 엔지니어링 스트레인은 각 이미지 아래에 나열되어 있습니다. 샘플의 다양한 위치에 대한 국부적 수직 변위는 그림 오른쪽의 축척에 표시된 대로 색상 맵과 함께 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

Discussion

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

실리콘과 같은 고무와 같은 물질에 입자를 부착할 수 있는 능력은 산업 및 연구 모두에서 이점을 제공합니다. 그러나 표면 에너지가 낮은 재료의 표면에 접착하는 것은 어려울 수 있다는 것은 잘 알려져 있습니다. 일반적으로 실험 방법으로 표본 표면의 패턴이나 디자인이 필요한 연구자들은 일반적으로 Createx 및 Vallejo 1,10에서 제조 한 것과 같은 에어 브러싱을 위해 특별히 제조 된 페인트를 사용합니다. 페인트를 사용하는 이러한 응용 프로그램에는 종종 프라이머가 필요하지만 여전히 패턴의 필요한 내구성을 달성하지 못합니다. 유연한 기판에서는 기계적 테스트 중에 균열이 생길 때 페인트가 번지거나 조각이 떨어질 수 있습니다. 이러한 마킹 접착제 결함은 디지털 이미지 상관 관계와 같은 광학 추적 방법으로 캡처된 데이터 필드를 변경합니다. 우리의 방법은 표면 패턴의 오래 지속되는 내구성을 보장합니다. 우리는 현재 6년 이상 된 샘플을 가지고 있으며, 공격적으로 번지고 표면 패턴을 기계적으로 제거하려고 시도했습니다. 이러한 표시를 제거하려는 모든 노력은 실패로 돌아갔으며, 이는 표면 패턴의 견고성을 입증합니다.

산업에서는 개스킷 설치와 같은 안전 및 공정 지침을 위해 고무와 같은 재료의 표면에 디자인, 기호 또는 단어를 적용해야 할 수도 있습니다. 예를 들어, 자동차 산업에서는 명확한 설치 지침을 제공하기 위해 "THIS SIDE UP"과 같은 단어를 각인하거나 고무 개스킷에 화살표를 각인하는 것이 일반적입니다. 전통적으로 이러한 표시는 금형 표면을 수정하여 단어가 부품의 나머지 표면 위 또는 아래에 있도록 하여 달성됩니다. 이 방법을 사용하려면 표시를 변경해야 할 때마다 새로운 금형을 제작해야 합니다. 또한 최종 부품은 각인이 있는 두께가 다르기 때문에 작동 중 잠재적인 고장 부위가 발생할 수 있습니다. 우리의 방법은 어떤 식으로든 금형을 변경하지 않고 최종 재료의 표면이 균일한 두께로 유지되도록 함으로써 두 가지 문제를 모두 극복합니다.

당사의 패터닝 방법이 재료의 기계적 속성에 영향을 미치지 않는지 확인하기 위해 기계적 테스트가 수행되었습니다. 우리는 단순 전단, 단축 장력, 압축 및 충격 테스트와 같은 다양한 하중 모드에서 시편을 반복적으로 테스트했습니다. 또한 이 방법은 대체 페인트 적용 방법과 비교할 때 환경적으로 안전합니다. 우리는 곰팡이를 에어 브러싱할 때 용액에 알코올을 사용하여 독성이 있는 휘발성 페인트 용제의 사용을 피합니다. 마지막으로, 우리 방법의 주목할 만한 특징은 샘플 표면에 여러 가지 색상의 고해상도 패턴을 생성할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 스텐실의 입자 크기와 제조 정밀도에 의해 제한됩니다. 입자 크기는 원하는 충실도를 달성하고 사출 성형 공정의 유속을 극복할 수 있을 만큼 충분히 작아야 합니다. 시편 크기와 형상은 금형의 크기와 선택한 재료에 의해서만 제한됩니다. 우리는 실온에서 약 20분의 가사 시간을 가진 실리콘을 사용하여 2인치 큐브를 성공적으로 제조했습니다.

스텐실 제조 방법은 피처 크기, 해상도 및 입자 스프레이 코팅 중에 금형 캐비티에 충실도가 높은 설계를 생성하는 능력에 직접적인 영향을 미칩니다. 어떤 스텐실 제작이 패터닝 방법의 필수적인 부분인지에 대한 신중한 고려. 여기에서는 각 기술로 형성할 수 있는 최소 형상 크기인 lmin과 함께 간단한 스텐실 준비 기술 세트를 제공합니다. 첫째, 공예용 칼로 수동 절단: X-Acto 나이프 또는 유틸리티 블레이드와 같은 정밀 도구는 상세하고 복잡한 디자인에 가장 적합하며 플라스틱 시트, 마일라 또는 카드스톡(최소 ≥ 1mm)과 같은 재료와 잘 작동합니다. 둘째, 가위로 손으로 자르기: 종이나 얇은 비닐과 같은 가벼운 재료에 사용하여 단순한 모양과 덜 복잡한 디자인(최소 ≥ 1mm)을 만들 수 있습니다. 셋째, Cricut 또는 Silhouette과 같은 다이 커팅 기계: 접착 비닐 또는 카드스톡(lmin ≥ 250 μm)과 같은 재료를 사용하여 복잡한 디자인을 정밀하게 절단할 수 있습니다. 넷째, 레이저 절단: 아크릴, 목재 또는 두꺼운 플라스틱 스텐실(lmin ≥ 100 μm)에 적합한 복잡한 패턴을 위한 첨단 옵션입니다. 다섯째, 열 절삭 공구: 전기 핫 나이프 또는 납땜 인두는 마일라 또는 기타 압출 폴리머 필름(lmin ≥ 1mm)과 같은 열가소성 스텐실 재료를 통해 녹을 수 있습니다. 이 방법을 사용하면 가장자리가 매끄럽게 생성됩니다. 여섯째, 펀칭: 작고 반복적인 모양에 유용하며 경량 재료(lmin ≥ 100μm)에서 가장 잘 작동합니다. 마지막으로, 컴퓨터 제어 라우터는 대규모 또는 산업 규모의 스텐실 프로젝트(lmin varyes)에 활용될 수 있습니다.

모든 새로운 제조 프로토콜에서 프로세스의 특정 단계는 원하는 결과를 달성하는 데 매우 중요합니다. 이 방법에는 강조하고 특별한주의를 기울여야하는 세 가지 단계가 있습니다. 첫 번째 중요한 단계는 에어브러시된 입자 현탁액에서 알코올이 완전히 증발하여 입자만 금형 표면에 부착되도록 하는 것입니다. 알코올이 완전히 증발하지 않으면 사출 성형 공정 중에 금형의 디자인이 번지거나 알코올이 경화되지 않은 재료와 혼합될 가능성이 높습니다. 에어브러시의 알코올 "페인트"에 부유하는 이러한 입자는 알코올이 완전히 증발한 후 금형에 부착되기 때문에 입자의 크기는 충분히 작아야 합니다. 입자의 크기는 주의해야 할 중요한 제한 사항입니다. 입자가 너무 크면 Van der Waals 힘이 불충분하여 입자를 고무와 같은 재료 표면의 표면에 안전하고 영구적으로 접착시킬 수 없습니다. 그러나, 적절한 크기의 입자는 여러 상업용 안료 공급업체로부터 저렴하고 쉽게 얻을 수 있습니다.

두 번째 중요한 단계는 스텐실을 금형에 임시로 고정하는 접착제의 양입니다. 경험에 비추어 볼 때, 이 단계를 실행하는 가장 좋은 방법은 스프레이 접착제를 한 번 빠르게 사용하는 것입니다. 스텐실이 금형과 완전히 접촉하도록 하는 동시에 가능한 한 적은 접착제를 사용하는 것이 좋습니다. 금형의 스텐실을 손가락이나 고무 주걱과 같은 적절한 도구로 수동으로 평평하게 하면 컨포멀 접촉을 형성할 수 있습니다. 스텐실의 개구부가 금형에 대해 완전히 평평하지 않은 경우 에어 브러싱 중에 입자 현탁액이 스텐실 패턴의 가장자리 아래로 이동하여 표면 디자인 가장자리의 선명도를 크게 감소시킵니다. 접착제를 너무 많이 사용하면 스텐실을 제거하는 것이 어려우며 새로 적용된 디자인이 손상될 수 있습니다. 또한 접착제가 너무 많으면 경화 과정에서 시편이 금형에 강하게 부착되어 시편을 손상시키지 않고 탈형 공정을 거의 불가능하게 만듭니다.

세 번째 중요한 단계는 사출 성형 공정 중 경화되지 않은 실리콘의 사출 속도입니다. 우리의 경험에 비추어 볼 때, 충분히 느린 사출 성형 유속은 미세 입자를 금형에 부착하는 Van der Waals 힘을 극복하지 못하여 패턴화된 입자를 방해하지 않고 금형 캐비티를 채울 수 있음을 관찰했습니다. 패턴의 번짐을 피할 수 있을 만큼 느리지만 실리콘 경화가 시작되기 전에 금형 캐비티를 채울 수 있을 만큼 빠른 최적의 사출 속도를 결정하기 위해 몇 가지 경험적 테스트가 필요합니다. 경화제는 더 큰 부피의 부품이 만들어지는 경우 혼합물에 첨가될 수 있습니다. 재료의 점도와 경화 시간에 따라 각 재료의 시스템에 대한 적절한 사출 속도가 결정됩니다.

Disclosures

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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.

Acknowledgements

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저자는 연구를 수행하기 위해 실험실 시설을 제공한 퍼듀 대학교에 감사를 표합니다.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
공기 압축기장인CMEC6150휴대용: 6갤런 팬케이크 압축기
https://www.craftsman.com/collections/air-compressors/products/cmec6150
에코 플렉스용 염료스무스 온PMS 2757CSilc Pig 실리콘 컬러 안료. Silc Pig 안료는 농축되어 있어 Smooth-On 실리콘 제품을 착색할 때 조금만 있으면 큰 도움이 됩니다.
다양한 Silc Pig 색상을 혼합하여 맞춤형 색상이 가능합니다.
Silc Pig 9팩 샘플러에는 BLACK, BLOOD, BLUE, BROWN, GREEN, LIGHT FLESH, RED, WHITE, YELLOW.
https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/
이소프로필 알코올백조70% 이소프로필 알코올 - 16 온스 병 S-15966 - Uline70% 이소프로필 알코올 - 16온스 병
www.uline.com
믹싱 컵독주모델 번호: S-19462R플라스틱 파티 컵
www.uline.com
스텐실용 이형Ease Release 200 & 205에폭시, 우레탄 및 RTV 실리콘 몰드를 만들기 위한 모델 및 패턴 이형제.
https://www.reynoldsam.com/
마일라 시트 3mil스텐실 온라인 LLCNA마일라 시트 | 스텐실 재질
www.stencilsonline.com
화가 마스킹 테이프유린S-26006Uline Painters 마스킹 테이프
www.uline.com
종이 타월유린S-7711 유린S-7711 Uline - 경제적인 가격의 흡수성 타월. 2겹.
www.uline.com
아이스 캔디 스틱대리스품목 모델 번호: D-0139#, UPC 652695701399https://www.amazon.com/Darice-Popsicle-Sticks-Crafts-Natural/dp/B0CPKHS44K/?th=1
가루지구 안료이산화티타늄 PW6티타늄 화이트 어스 안료
https://www.earthpigments.com/
실리콘(ecoflex)스무스 온에코플렉스 00-20백금 촉매 실리콘
https://www.smooth-on.com/
스프레이 접착제스텐실 용이성상품코드:  ASA0005스텐실 이즈 재배치 가능한 스프레이 접착제
https://www.stencilease.com/
스프레이 건 / 에어브러시오소리패트리어트 105오소리 패트리어트 105 에어브러시
https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp
시험관글로벌 사이언티픽품목 83576, 제조업체 부품 #: 6254캡이 있는 50mL 폴리스티렌 범용 원심분리기 튜브 - 멸균
www.usplastic.com
비닐 튜브수족 추장 모델 번호: 900-01163C00501 Menards  참조 : 6840523수족 치프 투명 비닐 튜빙
www.menards.com

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. Nunes, L. C. S. Shear modulus estimation of the polymer polydimethylsiloxane (pdms) using digital image correlation. Materials & Design. 31 (1), 583-588 (2010).
  5. 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).
  6. Pan, B. Recent progress in digital image correlation. Exp Mech. 51, 1223-1235 (2011).
  7. Reu, P. Introduction to digital image correlation: Best practices and applications. Exp Tech. 36 (1), 3-4 (2012).
  8. 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).
  9. Sutton, M., Orteu, J. -J., Schreier, H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: Basic concepts, theory and applications. , (2009).
  10. Pan, B. Digital image correlation for surface deformation measurement: Historical developments, recent advances and future goals. Meas Sci Technol. 29, 082001(2018).

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