Dit werk presenteert een stam meetsensor bestaande uit een versterkingmechanisme en een polydimethylsiloxane microscoop vervaardigd met behulp van een verbeterde 3D-printer.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Productie van een stammeetapparaat met een verbeterde 3D-printer
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een traditionele stammeetsensor moet geëlektrificeerd worden en is gevoelig voor elektromagnetische interferentie. Om de schommelingen in het analoge elektrische signaal in een traditionele stammeteroperatie op te lossen, wordt hier een nieuwe stammeetmethode gepresenteerd. Het maakt gebruik van een fotografische techniek om de stam verandering weer te geven door het versterken van de verandering van de aanwijzer verplaatsing van het mechanisme. Een visuele polydimethylsiloxane (PDMS) lens met een brandpuntsafstand van 7,16 mm werd toegevoegd aan een smartphonecamera om een lensgroep te genereren die fungeert als een microscoop om beelden vast te leggen. Het had een gelijkwaardige brandpuntsafstand van 5,74 mm. Acrylonitril butadieen styreen (ABS) en nylon versterkers werden gebruikt om de invloed van verschillende materialen op de sensor prestaties te testen. De productie van de versterkers en PDMS lens is gebaseerd op verbeterde 3D-printtechnologie. De verkregen gegevens werden vergeleken met de resultaten van eindige elementenanalyse (FEA) om de geldigheid ervan te verifiëren. De gevoeligheid van de ABS versterker was 36,03 ± 1,34 με/μm, en de gevoeligheid van de nylon versterker was 36,55 ± 0,53 με/μm.
Inleiding
Het verkrijgen van lichte maar sterke materialen is vooral belangrijk in de moderne industrie. De eigenschappen van materialen worden beïnvloed wanneer ze worden blootgesteld aan stress, druk, torsie en buigtrillingen tijdens gebruik1,2. Zo is het belangrijk om hun duurzaamheid te analyseren en het gebruik op te lossen. Dergelijke metingen stellen ingenieurs in staat om de duurzaamheid van materialen te analyseren en productieproblemen op te lossen. De meest voorkomende methode voor stammeting in de industrie maakt gebruik van stamsensoren3. Traditionele folie sensoren worden veel gebruikt vanwege hun lage kosten en goede betrouwbaarheid4. Ze meten de veranderingen in elektrische signalen en zetten ze om naar verschillende uitgangssignalen5,6. Deze methode laat echter de details van het stamprofiel in het gemeten object weg en is gevoelig voor ruis van trillingselektromagnetische interferentie met analoge signalen. Het ontwikkelen van nauwkeurige, zeer herhaalbare en eenvoudige materiaalbelastingmeetmethoden is belangrijk in de techniek. Zo worden andere methoden bestudeerd.
In de afgelopen jaren hebben nanomaterialen veel belangstelling gewekt van onderzoekers. Om de druk op kleine objecten te meten, stelde Osborn et al.7,8 een methode voor om de stam van 3D nanomaterialen te meten met behulp van elektronenbackscatter (EBSD). Met behulp van moleculaire dynamica onderzochten Lina et al.9 de tussenlaagwrijvingsstamtechniek van grafeen. Gedistribueerde glasvezel stam metingen met behulp van Rayleigh backscatter spectroscopie (RBS) zijn op grote schaal gebruikt in foutdetectie en voor de evaluatie van optische apparaten als gevolg van hun hoge ruimtelijke resolutie en gevoeligheid10. Roostervezel (FBG)11,12 gedistribueerde stam sensoren zijn op grote schaal gebruikt voor high-precision stam meting13 voor hun gevoeligheid voor temperatuur en spanning. Om de stamveranderingen te controleren die door het uitharden na harsinjectie worden veroorzaakt, ingebed sanchez et al.14 een fiberoptische sensor in een epoxy koolstofvezelplaat en mat het volledige spanningsproces. Differentiële interferentie contrast (DIC) is een krachtige meetmethode van het veld vervorming15,16,17 die op grote schaal wordt gebruikt en18. Door de veranderingen van gemeten oppervlaktegrijze niveaus in de verzamelde beelden te vergelijken, wordt de vervorming geanalyseerd en wordt de stam berekend. Zhang et al.19 stelde een methode voor die op de introductie van versterkte deeltjes en dic beelden vertrouwt om van traditionele DIC te evolueren. Vogel en Lee20 berekenden stamwaarden met behulp van een automatische twee-view methode. In de afgelopen jaren maakte dit gelijktijdige microstructuurobservatie en stammeting in deeltjesversterkte composieten mogelijk. Traditionele stamsensoren meten alleen effectief spanning in één richting. Zymelka et al.21 stelde een omnidirectionele flexibele spanningssensor voor die een traditionele stammetermethode verbetert door veranderingen in de sensorweerstand te detecteren. Het is ook mogelijk om stam te meten met biologische of chemische stoffen. Ionische geleidende hydrogels zijn bijvoorbeeld een effectief alternatief voor spannings-/tactiele sensoren vanwege hun goede trekeigenschappen en hoge gevoeligheid22,23. Grafeen en zijn composieten hebben uitstekende mechanische eigenschappen en zorgen voor een hoge drager mobiliteit samen met een goede piëzoresistiviteit24,25,26. Bijgevolg zijn op grafeen gebaseerde stamsensoren op grote schaal gebruikt in de elektronische huidgezondheid monitoring, draagbare elektronica, en andere gebieden27,28.
In dit werk wordt een conceptuele stammeting gepresenteerd met behulp van een polydimethylsiloxane (PDMS) microscoop en een versterkingssysteem. Het apparaat is anders dan een traditionele stammeter omdat het geen draden of elektrische verbindingen vereist. Bovendien kan verplaatsing direct worden waargenomen. Het versterkingsmechanisme kan op elke locatie op het geteste object worden geplaatst, wat de herhaalbaarheid van de metingen sterk verhoogt. In deze studie werden een sensor en een zeefversterker gemaakt door 3D-printtechnologie. We hebben eerst de 3D-printer verbeterd om de efficiëntie voor onze behoeften te verhogen. Een bolvormig extrusie apparaat werd ontworpen ter vervanging van de traditionele single-material extruder gecontroleerd door de snijden software om de conversie van de metalen en plastic sproeiers te voltooien. Het bijbehorende gietplatform werd gewijzigd en het displacement-sensing apparaat (versterker) en het leesapparaat (PDMS microscoop) werden geïntegreerd.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. Vergadering van het versterkingsmechanisme
- Bouw een experimenteel platform met een verbeterde 3D-printer, een spanningsmeterindicator, een aandrijfapparaat, een ondersteuningsframe, een aluminium balk, een PDMS-lens, een smartphone, gewichten, een geprinte versterker(Supplemental Figuur 1) en een stammeter, zoals weergegeven in figuur 1.
- Stel de hoogte van elke laag in de printer in op 0,05 mm voor nylon en 0,2 mm voor ABS. Stel de diameter van de printkop in beide gevallen in op 0,2 mm. Stel de temperatuur van het mondstuk in op 220 °C voor nylon en 100 °C voor ABS. Stel ten slotte de afdruksnelheid in op 2.000 mm/min voor nylon en 3.500 mm/min voor ABS.
- Pas de oriëntatie van de sferische extrusiekop aan, zodat het metalen mondstuk het lage temperatuurplatform onder ogen ziet en een contour afdrukt om een normale extrusie te garanderen, zoals weergegeven in figuur 2.
- Hang het nylon en ABS aan de kolom. De voorkant moet in de drukspoelcontainer komen die door het metalen mondstuk moet worden gesmolten.
2. Vergadering van de PDMS-microscoop
- Meng met behulp van een magnetische roerstaaf de PDMS-precursor en het uithardingsmiddel om een gewichtsverhouding van 10:1 te verkrijgen.
- Plaats het mengsel 40 min in de ontgasser om bellen te verwijderen en giet het ontgaste mengsel in de PDMS-container van de bolvormige extrusiekop.
- Draai de bolvormige extrusiekop en het platform zodat het plastic mondstuk het hoge temperatuurplatform onder ogen ziet.
- Stel de verhoging van het kunststof mondstuk in op 50 μL. Plaats de onderkant van het pipetapparaat 20 mm29 van de mal af met behulp van de nozzlerotatie en de steppermotor in de Z-as.
- Zet de kookplaat aan om het hoge temperatuurplatform te verwarmen. De temperatuur van het platform wordt geregeld door een contactloze infrarood stralingsthermometer.
OPMERKING: Deze studie testte temperaturen van 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C en 240 °C. - Knijp in de PDMS-container om de PDMS-lens af te drukken.
- Koel de PDMS-lens op kamertemperatuur en verwijder deze met rubberen pincet.
- Bepaal de geometrische parameters van de lens, inclusief de contacthoek, de krommingsstraal en de druppeldiameter, met behulp van een driedimensionale vormanalyzer.
3. Stammeting voor laadtests in de controle- en testgroepen
- Gebruik een balk gemaakt van aluminium 6063 T83 als de cantilever balk. De lengte, breedte en dikte van de cantileverbalk moeten respectievelijk 380 mm x 51 mm x 3,8 mm bedragen. Bevestig het ene uiteinde aan de operatietafel met bouten en moeren.
- Teken een kruis in het midden en 160 mm van het vrije uiteinde van de cantilever balk.
- Om de oxidelaag op de cantileverbalk te verwijderen, polijst je het oppervlak met fijn schuurpapier voordat je plakt. De slijprichting moet ongeveer 45° van de richting van het spoordraadraster zijn. Gebruik watten gedrenkt in aceton om het oppervlak van de cantilever balk en het oppervlak van de stam meter pasta af te vegen.
- Sluit het aandrijfapparaat en de spanningsmeterindicator aan. Zet de stroom aan. Gebruik een stammeter gemonteerd op het middenoppervlak van de aluminium balk aan het vaste uiteinde om de stamveranderingen te meten.
- Bevestig het standaardgewicht aan het vrije uiteinde van de cantileverbundel om de geconcentreerde krachtingang te controleren. Lees de gegevens met behulp van een conventionele stammeterindicator met een aansluitmethode voor kwartbrugs.
- Vervang de spanningsmeter door de ABS- en nylonversterkers op dezelfde locatie.
- Bevestig de PDMS-lens op de smartphonecamera met een 8-megapixelsensor met een scherpstelafstand van 29 mm. Pas de brandpuntsafstand van de camera aan tot er een duidelijk beeld is verkregen. Lees de verplaatsing van de aanwijzer met behulp van de PDMS-microscoop.
- Herhaal stap 3,5 en 3,6 en stel de belasting telkens in op 1 N, 2 N, 3 N, 4 N en 5 N.
4. Eindige elementanalyse
- 3D eindige elementenmodellen van de nylon- en ABS-onderdelen voor stammeting (zie Tabel met materialen voor gebruikte software). Importeer de cantilever beam en het versterkende mechanisme in de materiaalbibliotheek van de software en simuleer hun plaatsingsposities.
- Analyseer de mechanische eigenschappen van de versterkende mechanismeaanwijzer onder de werking van een cantilever beam.
- Genereer mazen voor gebruik in 3D geometrische modellen met behulp van tetraëderelementen met een fijne elementgrootte. Verfijn de buigscharnieren, met name het scharnier tussen de aanwijzer en de andere lichamen.
OPMERKING: De Jonge moduli van elasticiteit gebruikt voor aluminium, nylon en ABS waren 69 GPa, 2 GPa, en 2.3 GPa, respectievelijk. De Poisson ratio's gebruikt voor aluminium, nylon en ABS waren 0,33, 0,44, en 0,394, respectievelijk. - Breng een geconcentreerde kracht van 1 N aan op het midden van het vrije uiteinde van de cantilever balk. Herhaal dit met 2 N, 3 N, 4 N en 5 N.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Toen de temperatuur van het platform steeg, nam de druppeldiameter en de krommingsstraal af, terwijl de contacthoek toenam(figuur 3). Daarom is de brandpuntsafstand van de PDMS toegenomen. Voor platformtemperaturen boven de 220 °C werd echter een zeer korte uithardingstijd waargenomen in de druppels, en ze konden zich niet uitstrekken tot een vlak-convexe vorm. Dit kan worden toegeschreven aan het lage bevestigingsgebied bij het vasthouden aan een smartphonecamera. Daarom werden alleen zacht...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
De outputverplaatsing evolueerde lineair met de kracht geconcentreerd aan het vrije eind van de cantilever straal en was verenigbaar met de FEA simulaties. De gevoeligheid van de versterkers was 36,55 ± 0,53 με/μm voor nylon en 36,03 ± 1,34 με/μm voor ABS. De stabiele gevoeligheid bevestigde de haalbaarheid en de effectiviteit van de rapid prototyping van precisiesensoren met behulp van 3D-printen. De versterkers hadden een hoge gevoeligheid en waren vrij van elektromagnetische interferentie. Bovendien hadden ze een eenv...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren geen tegenstrijdige belangen.
Dankbetuigingen
Dit werk werd financieel ondersteund door de National Science Foundation of China (Grant No. 51805009).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | Gebruikt voor het printen van 1,75 mm diameter draad voor versterkingsmechanisme | |
| Aluminum 6063 T83 bar | De lengte, breedte en dikte van cantilever balk zijn 380 mm, 51 mm en 3,8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing software, gebruikt met de verbeterde 3D printer |
| Hardingsmiddel | Dow Corning | PDMS en hardingsmiddel worden gemengd met een gewichtsverhouding van 10:1 | |
| Aandrijving | Xinmingtian | E00 | |
| Verbeterde 3D printer en accessoires | Zelf gemaakt. Er wordt gebruik gemaakt van een draaiende bolvormige liftplatform. Het bolvormige liftplatform is uitgerust met een spuitmond en een pipette, die vrij kunnen worden geschakeld en afgedrukt. Met een draaiend printplatform kan de platformtemperatuur vrij worden geregeld. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 8-megapixel sensor en de equivalente brandpuntsafstand is 29 mm |
| Magnetische roerder | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli dejian plastic electrical products factory | Gebruikt voor het printen van 1,75 mm diameter draad voor versterkingsmechanisme | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | Nadat het viskeuze mengsel is verwarmd en uitgehard, kan het worden gecombineerd met het lensversterkingsapparaat van de mobiele telefoon voor beeldverwerving. |
| Vorm analyzer | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Assistentie bij het modelleren |
| VISHAY spanningsmeter | Vishay | Wordt gebruikt om de spanning in het experiment te meten. | |
| VISHAY spanningsmeterindicator | Vishay | Spanningsgegevensverzameling. |
Referenties
- Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).
- Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition. Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).
- Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
- Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).
- Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects. Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).
- Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors. Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).
- Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88(2018).
- Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique. Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).
- Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
- Shingo, O. Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry. Journal of Optics Express. 24 (17), 19651(2016).
- Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft. Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).
- Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement. Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).
- Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).
- Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors. Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).
- Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure. Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).
- Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement. Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).
- Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing. Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).
- Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids. Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).
- Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure. Micron. , (2019).
- Vogel, J. H., Lee, D. An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces. Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).
- Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements. Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).
- Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors. Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).
- Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues. Biomaterials. 172, 30-40 (2018).
- Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene. Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).
- Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
- Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing. ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).
- Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. Graphene-based transparent strain sensor. Carbon. 51, 236-242 (2013).
- Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
- Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy. Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005(2015).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
