Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D

5.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/60177

⸱

30 stycznia 2020

 ,  , 
1Department of Materials Science and Mechanical Engineering, Beijing Technology and Business University

W tym artykule

Podsumowanie

Ta praca przedstawia czujnik pomiaru odkształcenia składający się z mechanizmu wzmacniającego i mikroskopu polidimetylosiloksanowego, wykonany przy użyciu ulepszonej drukarki 3D.

Streszczenie

Tradycyjny czujnik pomiaru odkształceń musi być zelektryfikowany i jest podatny na zakłócenia elektromagnetyczne. W celu rozwiązania fluktuacji analogowego sygnału elektrycznego w tradycyjnej operacji tensometrycznej, przedstawiono tutaj nową metodę pomiaru odkształcenia. Wykorzystuje technikę fotograficzną do pokazania zmiany naprężenia poprzez wzmocnienie zmiany przemieszczenia wskazówki mechanizmu. Wizualna soczewka polidimetylosiloksanu (PDMS) o ogniskowej 7,16 mm została dodana do aparatu smartfona w celu wygenerowania grupy soczewek działającej jak mikroskop do rejestrowania obrazów. Miał on odpowiednik ogniskowej 5,74 mm. Wzmacniacze akrylonitryl-butadien-styren (ABS) i nylon zostały wykorzystane do przetestowania wpływu różnych materiałów na działanie czujnika. Produkcja wzmacniaczy i soczewek PDMS opiera się na ulepszonej technologii druku 3D. Uzyskane dane porównano z wynikami analizy metodą elementów skończonych (MES) w celu zweryfikowania ich poprawności. Czułość wzmacniacza ABS wynosiła 36,03 ± 1,34 με/μm, a czułość wzmacniacza nylonowego 36,55 ± 0,53 με/μm.

Wprowadzenie

Pozyskiwanie lekkich, ale mocnych materiałów jest szczególnie ważne w nowoczesnym przemyśle. Właściwości materiałów ulegają zmianie, gdy są poddawane naprężeniom, ciśnieniu, skręcaniu i wibracjom zginania podczas użytkowania1,2. Dlatego pomiar odkształceń materiałów jest ważny dla analizy ich trwałości i rozwiązywania problemów związanych z użytkowaniem. Takie pomiary umożliwiają inżynierom analizę trwałości materiałów i rozwiązywanie problemów produkcyjnych. Najpopularniejszą metodą pomiaru odkształceń w przemyśle są czujniki tensometryczne3. Tradycyjne czujniki foliowe są szeroko stosowane ze względu na ich niski koszt i dobrą niezawodność4. Mierzą zmiany w sygnałach elektrycznych i przekształcają je na różne sygnały wyjściowe5,6. Jednak ta metoda pomija szczegóły profilu odkształcenia w mierzonym obiekcie i jest podatna na zakłócenia spowodowane wibracyjnymi zakłóceniami elektromagnetycznymi z sygnałami analogowymi. Opracowanie dokładnych, wysoce powtarzalnych i łatwych metod pomiaru odkształceń materiału jest ważne w inżynierii. W związku z tym badane są inne metody.

W ostatnich latach nanomateriały wzbudziły duże zainteresowanie badaczy. Aby zmierzyć odkształcenie małych obiektów, Osborn i in.7,8 zaproponowali metodę pomiaru odkształcenia nanomateriałów 3D za pomocą elektronowego rozpraszania wstecznego (EBSD). Korzystając z dynamiki molekularnej, Lina i in.9 zbadali inżynierię odkształceń tarcia międzywarstwowego grafenu. Rozproszone pomiary odkształceń światłowodów za pomocą spektroskopii Rayleigha z rozproszeniem wstecznym (RBS) są szeroko stosowane w wykrywaniu uszkodzeń i ocenie urządzeń optycznych ze względu na ich wysoką rozdzielczość przestrzenną i czułość10. Krata światłowodowa (FBG)11,12 rozproszonych czujników tensometrycznych jest szeroko stosowana do precyzyjnego pomiaru odkształceń13 ze względu na ich czułość na temperaturę i odkształcenie. W celu monitorowania zmian odkształcenia spowodowanych utwardzaniem po wstrzyknięciu żywicy, Sanchez i in.14 umieścili czujnik światłowodowy w płytce z epoksydowego włókna węglowego i zmierzyli cały proces odkształcania. Różnicowy kontrast interferencyjny (DIC) to potężna metoda pomiaru deformacji pola15,16,17, która jest również szeroko stosowana18. Porównując zmiany zmierzonych poziomów szarości powierzchni na zebranych obrazach, analizowane jest odkształcenie i obliczane jest odkształcenie. Zhang et al.19 zaproponowali metodę, która opiera się na wprowadzeniu wzmocnionych cząstek i obrazów DIC, aby ewoluować z tradycyjnego DIC. Vogel i Lee20 obliczyli wartości odkształceń przy użyciu automatycznej metody dwuwidokowej. W ostatnich latach umożliwiło to jednoczesną obserwację mikrostruktury i pomiar odkształceń w kompozytach wzmacnianych cząstkami. Tradycyjne czujniki tensometryczne skutecznie mierzą odkształcenia tylko w jednym kierunku. Zymelka et al.21 zaproponowali dookólny elastyczny czujnik tensometryczny, który ulepsza tradycyjną metodę tensometryczną poprzez wykrywanie zmian w rezystancji czujnika. Możliwy jest również pomiar odkształcenia przy użyciu substancji biologicznych lub chemicznych. Na przykład hydrożele przewodzące jony są skuteczną alternatywą dla czujników odkształceniowych/dotykowych ze względu na ich dobre właściwości rozciągania i wysoką czułość22,23. Grafen i jego kompozyty mają doskonałe właściwości mechaniczne i zapewniają wysoką ruchliwość nośnika oraz dobrą piezorezystywność24,25,26. W związku z tym czujniki tensometryczne na bazie grafenu są szeroko stosowane w elektronicznym monitorowaniu stanu skóry, elektronice ubieralnej i innych dziedzinach27,28.

W tej pracy przedstawiono koncepcyjny pomiar odkształcenia za pomocą mikroskopu polidimetylosiloksanu (PDMS) i systemu amplifikacji. Urządzenie różni się od tradycyjnego tensometru tym, że nie wymaga przewodów ani połączeń elektrycznych. Co więcej, przemieszczenie można obserwować bezpośrednio. Mechanizm amplifikacyjny może być umieszczony w dowolnym miejscu na badanym obiekcie, co znacznie zwiększa powtarzalność pomiarów. W tym badaniu czujnik i wzmacniacz odkształcenia zostały wykonane w technologii druku 3D. Najpierw ulepszyliśmy drukarkę 3D, aby zwiększyć jej wydajność zgodnie z naszymi wymaganiami. Sferyczne urządzenie do wytłaczania zostało zaprojektowane w celu zastąpienia tradycyjnej wytłaczarki jednomateriałowej sterowanej przez oprogramowanie do krojenia w celu zakończenia konwersji dysz metalowych i plastikowych. Zmieniono odpowiednią platformę formującą, a urządzenie wykrywające przemieszczenie (wzmacniacz) i urządzenie odczytujące (mikroskop PDMS) zostały zintegrowane.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Montaż mechanizmu wzmacniającego

  1. Zbuduj eksperymentalną platformę, w tym ulepszoną drukarkę 3D, wskaźnik tensometryczny, urządzenie napędowe, ramę nośną, aluminiową belkę, soczewkę PDMS, smartfon, odważniki, drukowany wzmacniacz (rysunek uzupełniający 1) i tensometr, jak pokazano na Rysunek 1.
  2. Ustaw wysokość każdej warstwy w drukarce na 0,05 mm dla nylonu i 0,2 mm dla ABS. W obu przypadkach ustaw średnicę głowicy drukującej na 0,2 mm. Ustaw temperaturę dyszy na 220 °C dla nylonu i 100 °C dla ABS. Na koniec ustaw prędkość drukowania na 2 000 mm/min dla nylonu i 3 500 mm/min dla ABS.
  3. Dostosuj orientację sferycznej głowicy wytłaczającej tak, aby metalowa dysza była skierowana w stronę platformy niskotemperaturowej i wydrukuj kontur, aby zapewnić normalne wytłaczanie, jak pokazano na Rysunek 2.
  4. Zawieś nylon i ABS na kolumnie. Przedni koniec musi wejść do pojemnika cewki drukarskiej, aby został stopiony przez metalową dyszę.

2. Montaż mikroskopu PDMS

  1. Za pomocą mieszadła magnetycznego wymieszaj prekursor PDMS i utwardzacz, aby uzyskać stosunek wagowy 10:1.
  2. Umieść mieszaninę w odgazowywaczu na 40 minut w celu usunięcia pęcherzyków i wlej odgazowaną mieszaninę do pojemnika PDMS sferycznej głowicy wytłaczającej.
  3. Obróć sferyczną głowicę wytłaczającą i platformę tak, aby plastikowa dysza była skierowana w stronę platformy o wysokiej temperaturze.
  4. Ustawić przyrost dyszy z tworzywa sztucznego na 50 μl. Umieść dolny koniec pipety w odległości 20 mm29 od formy, wykorzystując obrót dyszy i silnik krokowy w osi Z.
  5. Włącz płytę grzejną, aby podgrzać platformę wysokotemperaturową. Temperatura platformy jest kontrolowana przez bezdotykowy termometr promieniowania podczerwonego.
    UWAGA: W tym badaniu przetestowano temperatury 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C i 240 °C.
  6. Ściśnij pojemnik PDMS, aby wydrukować soczewkę PDMS.
  7. Schłodzić soczewkę PDMS do temperatury pokojowej i usunąć ją gumową pęsetą.
  8. Określ parametry geometryczne soczewki, w tym kąt zwilżania, promień krzywizny i średnicę kropli, za pomocą trójwymiarowego analizatora kształtu.

3. Pomiar odkształcenia dla testów obciążeniowych w grupie kontrolnej i testowej

  1. Użyj pręta wykonanego z aluminium 6063 T83 jako belki wspornikowej. Długość, szerokość i grubość belki wspornikowej powinny wynosić odpowiednio 380 mm x 51 mm x 3,8 mm. Przymocuj jeden koniec do stołu operacyjnego za pomocą i nakrętek.
  2. Narysuj krzyż pośrodku i 160 mm od wolnego końca belki wspornikowej.
  3. Aby usunąć warstwę tlenku z belki wspornikowej, przed wklejeniem wypoleruj jej powierzchnię drobnym papierem ściernym. Kierunek szlifowania powinien wynosić około 45° od kierunku siatki drutu tensometrycznego. Użyj waty nasączonej acetonem, aby przetrzeć powierzchnię belki wspornikowej i powierzchnię pasty tensometrycznej.
  4. Podłącz urządzenie sterujące i wskaźnik tensometryczny. Włącz zasilanie. Użyj tensometru zamontowanego na środkowej powierzchni aluminiowego pręta na jego stałym końcu, aby zmierzyć zmiany odkształcenia.
  5. Przymocuj standardowy ciężar do wolnego końca belki wspornikowej, aby kontrolować skoncentrowaną siłę wejściową. Odczytaj dane za pomocą konwencjonalnego wskaźnika tensometrycznego z metodą połączenia ćwierćmostkowego.
  6. Wymień tensometr na ABS i nylon amplifiers w tym samym miejscu.
  7. Przymocuj obiektyw PDMS do aparatu smartfona z 8-megapikselową matrycą przy odległości ostrości 29 mm. Dostosuj ogniskową aparatu, aż do uzyskania wyraźnego obrazu. Odczytaj przemieszczenie wskaźnika za pomocą mikroskopu PDMS.
  8. Powtórz kroki 3.5 i 3.6, za każdym razem ustawiając obciążenie na 1 N, 2 N, 3 N, 4 N i 5 N.

4. Analiza metodą elementów skończonych

  1. Ustal modele elementów skończonych 3D części nylonu i ABS do pomiaru odkształceń (patrz Tabela materiałów dla używanego oprogramowania). Zaimportuj belkę wspornikową i mechanizm wzmacniający do biblioteki materiałów oprogramowania i zasymuluj ich pozycje umieszczenia.
  2. Przeanalizuj właściwości mechaniczne wskazówki mechanizmu wzmacniającego pod wpływem belki wspornikowej.
  3. Generuj siatki do użycia w modelach geometrycznych 3D przy użyciu elementów czworościennych o drobnym rozmiarze elementu. Uściślij zawiasy zginające, zwłaszcza zawias między wskaźnikiem a innymi obiektami.
    UWAGA: Moduły sprężystości Younga stosowane dla aluminium, nylonu i ABS wynosiły odpowiednio 69 GPa, 2 GPa i 2,3 GPa. Współczynniki Poissona stosowane dla aluminium, nylonu i ABS wynosiły odpowiednio 0,33, 0,44 i 0,394.
  4. Przyłożyć skoncentrowaną siłę 1 N do środka wolnego końca belki wspornikowej. Powtórz z 2 N, 3 N, 4 N i 5 N.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Wraz ze wzrostem temperatury platformy, średnica kropli oraz promień krzywizny zmniejszały się, natomiast kąt zwilżania zwiększał się (Rycina 3). W konsekwencji ogniskowa soczewki z PDMS wzrosła. Jednakże przy temperaturach platformy powyżej 20 °C zaobserwowano bardzo krótki czas sieciowania w kroplach, przez co nie mogły one przyjąć kształtu płasko-wypukłego. Może to wynikać z niewielkiej powierzchni przylegania podczas mocowania do kamery smartfona. Dlatego we wszystkich testach jako powię...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Przemieszczenie wyjściowe zmieniało się liniowo wraz z siłą skoncentrowaną na swobodnym końcu belki wspornikowej i było zgodne z symulacjami MES. Czułość wzmacniaczy wynosiła 36,55 ± 0,53 με/μm dla nylonu i 36,03 ± 1,34 με/μm dla ABS. Stabilna czułość potwierdziła wykonalność i skuteczność szybkiego prototypowania precyzyjnych czujników z wykorzystaniem druku 3D. Wzmacniacze charakteryzowały się wysoką czułością i były wolne od zakłóceń elektromagnetycznych. Ponadto miały prostą konstrukcję, niewielką objętość i niską wa...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

Podziękowania

Ta praca była finansowana przez Narodową Fundację Nauki Chin (Grant nr 51805009).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Fabrykaplastikowych produktów elektrycznych ABS Hengli DejianSłuży do drukowania drutu o średnicy 1,75 mm do mechanizmu wzmacniającego
Aluminiowy prętDługość, szerokość i grubość belki wspornikowej wynosi 380 mm, 51 mm i 3,8 mm.
ANSYSANSYSANSYS 14.5
CURAUltimakerCura 3.0Slicing softare, przy użyciu ulepszonej drukarki 3D
UtwardzaczDow CorningPDMS i utwardzacz są mieszane w stosunku wagowym 10:1
Urządzenie napędoweXinmingtianE00
Ulepszona drukarka 3D i akcesoriaWykonane przeze mnie. Przyjęto obrotową sferyczną platformę podnoszącą. Kulista platforma podnosząca jest wyposażona w dyszę i pipetę, które można dowolnie przełączać i drukować. Dzięki obrotowej platformie drukującej można dowolnie kontrolować temperaturę platformy.
iPhone 6AppleMG4A2CH/A8-megapikselowy czujnik i równoważna odległość ustawiania ostrości to 29 mm
Mieszadło MageneticSCILOGEXMS-H280-Pro
Fabryka plastikowychproduktówSłuży do drukowania drutu o średnicy 1,75 mm do mechanizmu wzmacniającego
PDMSDow CorningSYLGARDDC184Po podgrzaniu i utwardzeniu lepkiej mieszaniny można ją połączyć z urządzeniem wzmacniającym soczewkę telefonu komórkowego w celu uzyskania obrazu.
Analizator kształtuGltechSURFIEW 4000
SolidworksDassault SystemsSolidworks 2017Wspomaganie modelowania
Tensometru VISHAYVishaySłuży do pomiaru odkształcenia wytworzonego w eksperymencie.
Wskaźnik tensometryczny VISHAYAkwizycja danych szczepuVishay
6063 T83 elektrycznych Nylon Hengli Dejian .

Bibliografia

  1. 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).
  2. 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).
  3. Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
  4. 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).
  5. 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).
  6. Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors. Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).
  7. Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88(2018).
  8. 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).
  9. Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
  10. 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).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. 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).
  17. 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).
  18. 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).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. 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).
  25. Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
  26. 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).
  27. Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. Graphene-based transparent strain sensor. Carbon. 51, 236-242 (2013).
  28. Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
  29. 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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Urz dzenie do pomiaru odkszta cetechnologia druku 3Dwytwarzanie soczewek z PDMSanaliza element w sko czonychtestowanie wzmacniaczy nylonowychczu o wzmacniaczy z ABSwspornik z pr ta aluminiowegokonfiguracja mikroskopu smartfonowegowytwarzanie w uk adzie cia o sta e cieczprodukcja materia u do mikrosfer
Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D
Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki Korzystania

Zasady

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.