Method Article

Nakładanie trwałych, solidnych szablonowych wzorów drobnych cząstek na powierzchnie elastomerowe

DOI:

10.3791/68576

⸱

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

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

Przedstawiamy metodę nanoszenia trwałych oznaczeń i wzorów na powierzchnie silikonowe poprzez przyleganie drobnych cząstek do powierzchni. Oznaczenia mogą być albo rozpoznawalnym wzorem, albo losowym wzorem plamek, takim jak te używane w cyfrowej korelacji obrazów.

Abstract

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

Opracowywanie nieliniowych, dużych modeli deformacji kompozytów elastomerowych jest ciągłym wyzwaniem w zastosowaniach w miękkiej robotyce, protetyce i łagodzeniu uderzeń (takich jak kaski sportowe i wyściółki). Naszym celem badawczym jest opracowanie modeli, które przewidują zachowanie materiału i tworzą dokładne symulacje. W miarę postępów w naszych badaniach dostrzegliśmy zasadniczą potrzebę eksperymentalnego uchwycenia deformacji pola powierzchniowego, co umożliwiłoby nam opracowanie solidnych relacji konstytutywnych.

Popularne techniki śledzenia optycznego, takie jak cyfrowa korelacja obrazu (DIC) i śledzenie siatki, wymagają wzoru na powierzchni próbki w celu śledzenia i obliczania pola przemieszczenia powierzchni. Jednak nieodłącznie niska energia powierzchniowa większości materiałów elastomerowych, takich jak utwardzone silikony, hamuje trwałe znakowanie powierzchni. Innymi słowy, prawie niemożliwe jest przyklejenie wzorów śledzenia powierzchni do materiału, który nie będzie łatwo się ścierał lub rozmazywał podczas pracy z próbką. Co więcej, eksperymenty z dużymi deformacjami mogą spowodować zniekształcenie, pęknięcie lub łuszczenie się oryginalnego wzoru powierzchni.

W tym miejscu prezentujemy nowatorską metodę odlewania natryskowego wzorów oznaczeń proszkowych na wewnętrznej powierzchni form przed reaktywnym formowaniem wtryskowym naszych części elastomerowych. Opracowaliśmy tę prostą metodę, która pozwala na nałożenie trwałych, wiernych wzorów powierzchni na próbki silikonowe lub elastomerowe podczas procesu produkcyjnego. Wzory powierzchni mogą wahać się od losowych wzorów plamek używanych w DIC do szczegółowych wzorów wielokolorowych. Te nowe, wytrzymałe wzory mogą wytrzymać cykliczne obciążenia przy dużych obciążeniach bez blaknięcia i pękania oraz pozwolą na łatwe znakowanie silikonów w warunkach laboratoryjnych i przemysłowych.

Introduction

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

Charakteryzowanie materiału o dużych odkształceniach w zaawansowanych scenariuszach obciążeń ma tendencję do tworzenia niejednorodnych odkształceń 1,2,3,4,5. Aby dokładnie zamodelować to niejednorodne odkształcenie, eksperymentator musi uchwycić kinematykę powierzchni lub objętości. Najczęstsze techniki stosowane do pozyskiwania kinematyki powierzchni lub objętości są określane jako techniki śledzenia optycznego. Cyfrowa korelacja obrazu (DIC) i śledzenie siatki to dwie najpopularniejsze techniki śledzenia optycznego w literaturze dotyczącej kinematyki powierzchni i obie wymagają widocznych wzorców na powierzchni próbki 6,7.

Weźmy pod uwagę elastomer magnetoreologiczny (MRE), który składa się z silikonu luzem z drobnymi cząstkami żelaza zawieszonymi w matrycy masowej. Próbka może jednocześnie odkształcać się zarówno pod wpływem klasycznych obciążeń mechanicznych na granicach, jak i od przyłożonego pola magnetycznego sklasyfikowanego jako siła bezkontaktowa. W tym i innych analogicznych scenariuszach obciążeń konieczne jest, aby eksperymentator uchwycił kinematykę powierzchni, ponieważ założenie jednorodnego odkształcenia w typowych trybach obciążenia nie jest już aktualne. Istnieje wiele technik znakowania powierzchni próbek gumopodobnych, takich jak po prostu użycie markera o wysokim kontraście lub farby 2,6. Eksperymentatorzy nałożyli również podkład kosmetyczny na próbki tkanek biologicznych przed oznaczeniem próbki 3,5. W obu przypadkach celem jest umieszczenie na próbce zarówno trwałych, jak i wiernych oznaczeń. Trwałość jest niezbędna, aby zapobiec blaknięciu lub łuszczeniu się oznaczeń na powierzchni próbki podczas obchodzenia się z nią i cyklicznych testów mechanicznych. Wysoka rozdzielczość linii lub "wierność" jest niezbędna do dokładnej analizy obrazu i śledzenia deformacji.

W tym miejscu przedstawiamy metodę nanoszenia trwałych oznaczeń o wysokiej rozdzielczości na próbki silikonu poprzez przyklejanie drobnych cząstek do powierzchni próbki podczas produkcji, a nie po jej utworzeniu. Pożądany wzór, niezależnie od tego, czy jest to skomplikowany wielokolorowy wzór, czy losowy wzór plamek stosowany w DIC, jest nakładany na wnętrze gniazda formy przed procesem formowania wtryskowego (rysunek 1). Drobne cząstki są zawieszane w alkoholu, a następnie nakładane za pomocą aerografu lub podobnego narzędzia. Wzór jest nakładany na formę. Po odparowaniu alkoholu forma jest zamykana, a nieutwardzony termoutwardzalny materiał elastomerowy jest wtryskiwany do formy. Po utwardzeniu próbka stała jest usuwana, a wzór jest trwale osadzony w powierzchni.

figure-introduction-1
Rysunek 1: Protokół schematu blokowego do przylegania wzorów o wysokiej wierności do powierzchni silikonowych. Schemat blokowy lub drzewo decyzyjne dla naszego procesu. Ta numeracja i etykietowanie każdego kroku na schemacie blokowym odpowiada opisowi protokołu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Protocol

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

UWAGA: Odpowiednie środki ochrony osobistej (PPE) składają się z okularów, fartucha laboratoryjnego, maski N95, ochronników słuchu i rękawic nielateksowych. Rękawice nielateksowe (tj. nitrylowe) są wymagane, ponieważ rękawice lateksowe hamują proces utwardzania próbek silikonu platynowego.

1. Wstępne przygotowanie

  1. Wstępne przygotowanie form
    1. Wyczyść foremki wodą z mydłem i pozostaw foremki do wyschnięcia. Przetrzyj foremki alkoholem izopropylowym i pozostaw foremki do wyschnięcia na powietrzu.
  2. Wstępne przygotowanie szablonów
    1. Wyczyść szablony wodą z mydłem i pozostaw je do wyschnięcia. Przetrzyj szablony alkoholem izopropylowym i pozostaw szablony do wyschnięcia na powietrzu.
  3. Wstępne przygotowanie aerografu
    UWAGA: Ochrona słuchu może być wymagana w zależności od typu używanej sprężarki powietrza. Podczas korzystania ze szczotki powietrznej wymagany jest wyciąg.
    1. Podłącz sprężarkę powietrza do szczotki powietrznej, podłącz sprężarkę powietrza do odpowiedniego gniazdka elektrycznego i włącz sprężarkę powietrza. Wewnątrz dygestorium z odpowiednimi środkami ochrony osobistej napełnij szczotkę powietrzną alkoholem izopropylowym i wyczyść szczotkę powietrzną, kilkakrotnie przepuszczając przez nią alkohol izopropylowy.
      UWAGA: Szczotkę powietrzną należy czyścić po każdym użyciu. Jeśli korzystasz z szablonu, przejdź do sekcji 2. Jeśli nie używasz szablonu (np. do aplikacji wzoru plamek DIC), przejdź do sekcji 3.

2. Przygotowanie formy szablonowej

UWAGA: Do obchodzenia się z klejem w sprayu lub środkiem do usuwania pleśni wymagany jest wyciąg.

  1. Nałóż klej w sprayu na szablon.
    1. Wewnątrz dygestorium z odpowiednimi środkami ochrony osobistej umieść szablon na ręczniku papierowym i nałóż jedną warstwę kleju w sprayu na szablon. Podczas natryskiwania kleju na szablon trzymaj dyszę natryskową w odległości około 30 cm od szablonu i rozpylaj płynnym, ciągłym ruchem. Odczekaj od 30 s do 60 s, aż szablon będzie lepki, ale nie będzie już mokry, zanim przejdziesz do kroku 2.2.
      UWAGA: Wymagane jest tylko jedno przejście; Zbyt dużo kleju skomplikuje późniejsze usunięcie szablonu z formy.
  2. Przyklej szablon do formy.
    1. Wewnątrz dygestorium z odpowiednimi środkami ochrony osobistej umieść formę na ręczniku papierowym. Ostrożnie podnieś szablon czystymi, nielateksowymi rękawiczkami, uważając, aby nie naruszyć kleju, i umieść szablon na formie tak, aby strona kleju szablonu stykała się z formą. Spłaszcz szablon, mocno przesuwając jednym palcem po szablonie, aby zapewnić równomierny kontakt z formą.
      UWAGA: Równomierny kontakt z formą jest konieczny, aby uniknąć rozproszonych krawędzi wzoru i zachować ostre elementy.
  3. Umieść taśmę szablonową na formie.
    1. Za pomocą taśmy malarskiej przyklej krawędzie szablonu do formy. Przejdź do kroku 4.
      UWAGA: Ten krok zapewnia, że szablon jest przymocowany do formy, aby zapobiec oddzieleniu krawędzi szablonu od formy.

3. Przygotowanie formy do plamek DIC

  1. Zastosuj środek zwalniający do formy do formy dla DIC Speckle.
    1. Wewnątrz dygestorium z odpowiednimi środkami ochrony osobistej umieść formę na ręczniku papierowym powierzchnią wnęki formy skierowaną do góry. Nałóż środek antyadhezyjny do formy, spryskując formę jedną warstwą środka antyadhezyjnego. Podczas natryskiwania środka zwalniającego pleśń na formę, trzymaj dyszę natryskową w odległości około 12 cali od formy i rozpylaj płynnym, ciągłym ruchem.
      UWAGA: Potrzebne jest tylko jedno przejście; Jednak zbyt duże uwalnianie pleśni nie jest problemem.

4. Przygotowanie aerografu

UWAGA: Do pracy z drobnym proszkiem wymagany jest wyciąg i maska N95.

  1. Wstępne przygotowanie zawiesiny drobnego proszku
    1. Wewnątrz dygestorium z odpowiednimi środkami ochrony osobistej przygotuj 45 ml zawiesiny alkoholu izopropylowego i drobnego proszku (grafit lub kolorowy pigment) (rysunek 2). Aby to zrobić, za pomocą lejka lub małej łyżeczki, jak pokazano na rysunku 2A, umieść około 10 ml drobnego proszku w probówce i dodaj alkohol izopropylowy, aby wypełnić pozostałą objętość probówki do 45 ml całkowitej objętości. Zamknąć probówkę i energicznie wstrząsnąć (patrz rysunek 2C , aby zapoznać się z example otrzymanej zawiesiny).
      UWAGA: Nie napełniaj w tym momencie szczotki powietrznej, aby uniknąć zatkania dyszy szczotki powietrznej.
  2. Napełnianie szczotki powietrznej przed natryskiwaniem (Rysunek 2D).
    UWAGA: Ten krok należy wykonać bezpośrednio przed użyciem aerografu. Szczotka powietrzna nie powinna stać bezczynnie z zawiesiną proszku w pojemniku szczotki powietrznej, ponieważ szczotka powietrzna będzie się zatkać.
    1. Ponownie wstrząsnąć wstępnie zmieszaną zawiesiną z kroku 4.1. Wlej zawiesinę do pojemnika szczotki powietrznej, aż 75% objętości pojemnika szczotki powietrznej zostanie wypełnione.
      UWAGA: Nie napełniaj całkowicie pojemnika na szczotkę powietrzną, ponieważ kąt nachylenia szczotki powietrznej doprowadziłby do rozlania. Jeśli korzystasz z szablonu, przejdź do sekcji 5. Jeśli nie korzystasz z szablonu, przejdź do sekcji 6.

figure-protocol-1
Rysunek 2: Przygotowanie aerografu roztworem grafitu. (A) Umieszczenie proszku grafitowego w probówce; B) 10 ml proszku grafitowego; (C) roztwór alkoholu izopropylowego i proszku grafitowego. (D) Napełnij aerograf bezpośrednio przed użyciem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

5. Spryskaj formę szablonem (Rysunek 3)

  1. Rozpylanie zawiesiny drobnych cząstek
    1. Włącz sprężarkę powietrza. Upewnij się, że ciśnienie powietrza w sprężarce wynosi od 1.38 do 1.72 bara (20-25 psi).
    2. W dygestoriach ustaw formę z przyklejonym szablonem pod kątem nieco odchylonym od pionu, tak aby spray był nakładany pod kątem 90°. Skieruj szczotkę powietrzną lekko z boku formy, aby upewnić się, że natryskiwanie rozpocznie się przed lub przed formą.
    3. Delikatnie pociągnij spust szczotki powietrznej do tyłu. Gdy aerograf zacznie się rozpylać, delikatnie nałóż pierwszą warstwę zawiesiny. Podczas natryskiwania zawiesiny na szablon i formę, trzymaj dyszę natryskową w odległości około 30 cm od powierzchni i rozpylaj płynnym, ciągłym ruchem, jak pokazano na rysunku 3C.
    4. Zwolnij spust szczotki powietrznej i obserwuj, czy zawiesina drobnych cząstek jest równomiernie nałożona na powierzchnię. W razie potrzeby nałóż dodatkowe warstwy zawiesiny na powierzchnię szablonu i formy.
  2. Wyjmowanie szablonu z formy (Rysunek 4)
    1. Poczekaj, aż drobne cząstki będą widocznie suche przed usunięciem szablonu (co najmniej 180 do 300 s), w przeciwnym razie zawiesina może się rozmazać. Ujemna przestrzeń szablonu będzie wydawała się być wypełniona drobnymi cząstkami proszku, gdy alkohol izopropylowy wyparuje.
    2. Usuń taśmę malarską z górnej (krótszego końca) formy i powoli i płynnie pociągnij taśmę malarską do góry. Szablon odczepi się wraz z taśmą malarską, jak pokazano na rysunku 4A.

figure-protocol-2
Rysunek 3: Nakładanie aerografem roztworu grafitu. (A) Przygotowane formy z sekcji 2 protokołu. (B) Szablon z kwadratowym układem okrągłych otworów przed natryskiwaniem. (C) Spryskanie przygotowanej formy roztworem. (D) Szablon siatki po natryskiwaniu. Podziałka = 2 mm (B,D). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-protocol-3
Rysunek 4: Usuwanie szablonu i kontrola wzorzystej powierzchni formy. (A) Wyjmowanie szablonu z formy. (B) Przykład pleśni po odparowaniu alkoholu. (C) Powiększony widok siatki na formie przed formowaniem wtryskowym. Podziałka = 1 mm (C). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

6. Spryskaj formę bez szablonu

  1. Natryskiwanie wzoru plamek DIC na formę (rysunek 5)
    1. Włącz sprężarkę powietrza. Upewnij się, że ciśnienie powietrza sprężarki wynosi od 0.34 do 0.69 bara (5-10 psi).
    2. W dygestoriach ustaw formę bez szablonu pod kątem lekko odchylonym od pionu, tak aby spray był nakładany pod kątem 90°.
    3. Przetestuj szczotkę powietrzną, krótko naciskając spust, celując jednocześnie w zapasowy arkusz papieru, aby upewnić się, że wzór plamek jest odpowiedni (losowo rozmieszczony przestrzennie, prawidłowy rozkład wielkości plamek dla powiększenia eksperymentalnego zestawu obrazowania).
    4. Przesuń spust nad formą, aby utworzyć wzór plamek na formie, jak pokazano na rysunku 5C. Poczekaj, aż drobne cząstki będą widocznie suche (co najmniej 180 do 300 s), w przeciwnym razie zawiesina może się rozmazać.
      UWAGA: Rozmiar plamki można regulować, zmieniając ciśnienie powietrza.

figure-protocol-4
Rysunek 5: Natryskiwanie losowego wzoru na pleśni. (A) spust szczotki powietrznej w celu utworzenia wzoru plamek. (B) Wzór plamek na formie. (C) Wzór plamek na formie. (D) Powiększony wzór plamek. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

7. Zmontuj formę (Rysunek 6)

  1. Złóż formę.
    1. Delikatnie zmontuj formę(y), aby przygotować się do procesu formowania wtryskowego.
      UWAGA: Eksperymentator może zrobić przerwę na co najmniej kilka dni przed wykonaniem procesu formowania wtryskowego. Szybkość formowania wtryskowego powinna zostać zmniejszona, aby uniknąć rozmazywania drobnych cząstek.

figure-protocol-5
Rysunek 6: Montaż form. (A) Formy płytowe i tarczowe w pełni zmontowane, (B) Montaż formy dyskowej, (C) Montaż formy płytowej. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Results

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

Dla eksperymentatora dążącego do stworzenia modelu reprezentującego właściwości mechaniczne określonego materiału konieczne jest przeprowadzenie wielu różnych eksperymentów z zestawem próbek o różnych geometriach. Przykłady próbek stworzonych przy użyciu tej techniki przedstawiono na rysunku 7. Rysunek 7A przedstawia silikonową płytkę Ecoflex z czarną siatką na białej próbce. Pokazana strona ma czarną siatkę, a odwrotna strona ma czarną plamkę DIC. Rysunek 7B przedstawia silikonową płytkę Ecoflex z białą siatką na czarnym egzemplarzu. Podobnie jak próbka pokazana na rysunku 7A, próbka na rysunku 7B ma wzór plamek DIC na odwrotnej stronie, uformowany z przygotowanej formy pokazanej na rysunku 6A. Ten wzorzec tworzenia zarówno czarnego wzoru na białym tle, jak i białego wzoru na czarnym tle z siatką i wzorem plamek DIC jest również pokazany na cylindrze i próbkach sześcianów pokazanych na panelach C, D, F i G na rysunku 7. Rysunek 7E przedstawia przykład tabliczki z niebieską siatką na białym tle.

Rysunek 8 przedstawia próbkę o złym wzorze spowodowaną zbyt wysokim natężeniem przepływu podczas formowania wtryskowego. Wzór plamek DIC został rozmazany tak, że cząsteczki są rozprowadzane w smugi. Ten okaz został celowo wyprodukowany z rzadkim wzorem plamek DIC, aby wyraźnie zilustrować rozmazywanie. Ta metoda pozwala eksperymentatorowi na umieszczenie gęstszego wzoru plamek, jeśli jest to konieczne, aby uzyskać lepsze wyniki DIC 7,8,9, szczególnie w przypadku eksperymentów z małymi szczepami. Wzory plamek o różnej gęstości pokazano na rysunku 9B,C. Rysunek 10 przedstawia obrazy płytek silikonowych wytworzonych tą metodą z nałożoną kolorową mapą pola odkształcenia DIC w celu zilustrowania skutecznego śledzenia optycznego.

figure-results-1
Rysunek 7: Przykłady próbek użytych w eksperymentach. (A) Biała płytka z czarnymi kropkami siatki w jednoosiowym naprężeniu. (B) płytka z białymi kropkami siatki (wzór szablonowy) w jednoosiowym naprężeniu. (C) cylinder z białymi kropkami siatki. (D) cylinder z wzorem plamek DIC. (E) Niebieskie kropki siatki (F) Biały sześcian z białymi kropkami siatki i wzorem plamek DIC. (G) sześcian z białymi kropkami siatki. Podziałka = 1 mm (E), 1 cm (A-D,F,G). Skrót: DIC = cyfrowa korelacja obrazu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-2
Rysunek 8: Przykłady próbek, w których szybkość formowania wtryskowego była zbyt duża, a nakrapiany wzór jest rozmazany. Kierunek przepływu formowania wtryskowego jest wskazywany poziomą strzałką u dołu obrazu. Ukośne strzałki wskazują położenie kilku smug rozmazanego wzoru. Podziałka = 2 mm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-3
Rysunek 9: Przykładowe projekty obrazów używane w śledzeniu optycznym. (A) Przykładowy wzór siatki do śledzenia optycznego, (B) Przykład rzadkiego wzoru plamek DIC do śledzenia optycznego, (C) Przykład gęstego wzoru plamek DIC do śledzenia optycznego. Podziałka = 1 cm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

figure-results-4
Rysunek 10: Przykład pola odkształceń w korelacji obrazu cyfrowego nałożonego na obrazy eksperymentalne jednoosiowego rozciągania. Odkształcenie jest stosowane w kierunku y, a globalne odkształcenie inżynieryjne jest wymienione pod każdym obrazem. Lokalne przemieszczenia pionowe różnych lokalizacji próbki są pokazane za pomocą kolorowej mapy, jak wskazano na skali po prawej stronie rysunku. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Discussion

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

Zdolność do przylegania cząstek do materiałów gumopodobnych, takich jak silikon, zapewnia korzyści zarówno w przemyśle, jak i badaniach. Wiadomo jednak, że klejenie do powierzchni materiałów o niskiej energii powierzchniowej może być wyzwaniem. Ogólnie rzecz biorąc, badacze, których metody eksperymentalne wymagają wzoru lub wzoru na powierzchni ich próbek, często używają farb specjalnie opracowanych do aerografu, takich jak te produkowane przez Createx i Vallejo 1,10. Te aplikacje z użyciem farby często wymagają podkładu i nadal nie osiągają wymaganej trwałości wzorów. Na elastycznych podłożach farba może rozmazywać się lub odpadać płatkami, ponieważ pęka podczas testów mechanicznych. Te uszkodzenia kleju znakującego zmieniają następnie pole danych przechwycone za pomocą metody śledzenia optycznego, takiej jak cyfrowa korelacja obrazu. Nasza metoda zapewnia długotrwałą trwałość wzoru powierzchni. Obecnie posiadamy próbki mające ponad 6 lat, które próbowaliśmy agresywnie rozmazać i mechanicznie usunąć wzór powierzchni. Wszystkie wysiłki mające na celu usunięcie tych oznaczeń nie powiodły się, co świadczy o solidności wzorów powierzchni.

W przemyśle może być również konieczne zastosowanie wzorów, symboli lub słów na powierzchni materiałów gumopodobnych w celu zapewnienia bezpieczeństwa i instrukcji procesowych, takich jak montaż uszczelki. Na przykład w przemyśle motoryzacyjnym często umieszcza się słowa takie jak "THIS SIDE UP" (TA STRONA DO GÓRY) lub nadrukuje strzałkę na gumowej uszczelce, aby zapewnić jasne instrukcje instalacji. Tradycyjnie oznaczenia te uzyskuje się poprzez modyfikację powierzchni formy tak, aby słowa znajdowały się nad lub pod powierzchnią reszty części. Ta metoda wymaga wytworzenia nowej formy za każdym razem, gdy zachodzi potrzeba zmiany oznaczeń. Dodatkowo końcowa część będzie miała inną grubość w miejscu, w którym znajduje się odcisk, co prowadzi do potencjalnych miejsc awarii podczas pracy. Nasza metoda rozwiązuje oba te problemy, nie zmieniając w żaden sposób form i pozwalając powierzchni materiału końcowego zachować jednolitą grubość.

Przeprowadzono testy mechaniczne, które potwierdziły, że nasza metoda modelowania nie wpływa na właściwości mechaniczne materiału. Wielokrotnie testowaliśmy próbki w różnych trybach obciążenia, takich jak proste ścinanie, rozciąganie jednoosiowe, ściskanie, a nawet próby udarności. Ponadto metoda ta jest bezpieczna dla środowiska w porównaniu z alternatywnymi metodami nakładania farby. Unikamy stosowania toksycznych, lotnych rozpuszczalników do farb, wykorzystując alkohol w naszym roztworze podczas malowania formy powietrzem. Wreszcie, godną uwagi cechą naszej metody jest możliwość tworzenia wielobarwnych wzorów o wysokiej rozdzielczości na powierzchni próbki. Metoda jest ograniczona wielkością cząstek i precyzją wykonania szablonu. Wielkość cząstek musi być wystarczająco mała, aby osiągnąć pożądaną wierność i pokonać natężenie przepływu w procesie formowania wtryskowego. Rozmiar i geometria próbki są ograniczone jedynie rozmiarem formy i wybranym materiałem. Z powodzeniem wyprodukowaliśmy 2-calowe kostki z użyciem silikonu o około 20-minutowym okresie przydatności do użycia w temperaturze pokojowej.

Metoda wytwarzania szablonów będzie miała bezpośredni wpływ na rozdzielczość rozmiaru elementu i zdolność do stworzenia projektu o wysokiej wierności we wnęce formy podczas powlekania natryskiem cząstek. Dokładne rozważenie, które wykonanie szablonu jest integralną częścią metody modelowania. Tutaj zapewniamy prosty zestaw technik przygotowania szablonów wraz z minimalnym rozmiarem elementu, który można uformować za pomocą każdej techniki, lmin. Po pierwsze, ręczne cięcie nożem rzemieślniczym: Precyzyjne narzędzia, takie jak noże X-Acto lub ostrza uniwersalne, najlepiej nadają się do szczegółowych i skomplikowanych projektów i dobrze sprawdzają się w przypadku materiałów takich jak arkusze z tworzywa sztucznego, mylar lub karton (lmin ≥ 1 mm). Po drugie, ręczne cięcie nożyczkami: Może być stosowany do lekkich materiałów, takich jak papier lub cienki winyl, do tworzenia prostych kształtów i mniej skomplikowanych wzorów (lmin ≥ 1 mm). Po trzecie, maszyny do sztancowania, takie jak Cricut lub Silhouette: mogą precyzyjnie wycinać złożone projekty przy użyciu materiałów takich jak samoprzylepny winyl lub karton (lmin ≥ 250 μm). Po czwarte, cięcie laserowe: Zaawansowana technologicznie opcja dla skomplikowanych wzorów, odpowiednia do szablonów akrylowych, drewnianych lub z grubego tworzywa sztucznego (lmin ≥ 100 μm). Po piąte, narzędzia do cięcia na gorąco: elektryczne gorące noże lub lutownice mogą topić się przez termoplastyczne materiały szablonowe, takie jak mylar lub inne wytłaczane folie polimerowe (lmin ≥ 1 mm). Ta metoda pozwala uzyskać gładkie krawędzie. Po szóste, wykrawanie: pomocne w przypadku małych, powtarzalnych kształtów i najlepiej sprawdzają się na lekkich materiałach (lmin ≥ 100 μm). Wreszcie, routery sterowane komputerowo mogą być wykorzystywane do dużych lub przemysłowych projektów szablonów (lmin jest różne).

W każdym nowym protokole produkcyjnym pewne etapy procesu mają kluczowe znaczenie dla osiągnięcia pożądanego rezultatu. W naszej metodzie są trzy kroki, na które należy zwrócić uwagę i na które należy zwrócić szczególną uwagę. Pierwszym krytycznym krokiem jest całkowite odparowanie alkoholu z zawiesiny cząstek namalowanych aerografem, pozostawiając tylko cząstki przyklejone do powierzchni formy. Jeśli alkohol nie odparuje całkowicie, istnieje duże prawdopodobieństwo, że wzór na formie rozmaże się i/lub alkohol zmiesza się z nieutwardzonym materiałem podczas procesu formowania wtryskowego. Wielkość cząstek musi być wystarczająco mała, ponieważ cząstki te, które są zawieszone w "farbie" alkoholowej w aerografie, przylegają do formy po całkowitym odparowaniu alkoholu. Rozmiar cząstek jest ważnym ograniczeniem, na które należy zwrócić uwagę. Jeśli cząstki są zbyt duże, siły Van der Waalsa będą niewystarczające, aby bezpiecznie i trwale przylgnąć do powierzchni materiału gumopodobnego. Jednak cząsteczki o odpowiedniej wielkości można niedrogo i łatwo uzyskać od kilku komercyjnych dostawców pigmentów.

Drugim krytycznym krokiem jest ilość kleju, który tymczasowo utrzymuje szablon na formie. Z naszego doświadczenia wynika, że najlepszym sposobem na wykonanie tego kroku jest użycie jednego szybkiego przejścia kleju w sprayu. Zalecamy jak najmniej kleju, jednocześnie upewniając się, że szablon ma pełny kontakt z formą. Poprzez ręczne spłaszczenie szablonu na formie palcem lub odpowiednim narzędziem, takim jak gumowa szpatułka, można nawiązać kontakt konforemny. Jeśli otwory szablonu nie są całkowicie płaskie względem formy, zawiesina cząstek będzie migrować pod krawędziami wzoru szablonu podczas malowania powietrzem, znacznie zmniejszając ostrość krawędzi wzoru powierzchni. Jeśli zostanie użyta zbyt duża ilość kleju, usunięcie szablonu będzie trudne i może uszkodzić nowo nałożony wzór. Co więcej, zbyt dużo kleju doprowadzi do silnego przylegania próbki do formy podczas procesu utwardzania, co sprawi, że proces wyjmowania z formy będzie prawie niemożliwy bez spowodowania uszkodzenia próbki.

Trzecim krytycznym krokiem jest szybkość wtryskiwania nieutwardzonego silikonu podczas procesu formowania wtryskowego. Z naszego doświadczenia zaobserwowaliśmy, że wystarczająco wolne natężenie przepływu podczas formowania wtryskowego nie pokonało sił Van der Waalsa przylegających drobnych cząstek do formy, co pozwoliło na wypełnienie wnęki formy bez naruszania wzorzystych cząstek. Wymagane są pewne badania empiryczne, aby określić optymalną szybkość wtrysku, która jest wystarczająco wolna, aby uniknąć rozmazywania wzoru, a jednocześnie wystarczająco szybka, aby wypełnić ubytek formy przed rozpoczęciem utwardzania silikonu. Opóźniacze utwardzania można dodać do mieszanki, jeśli wykonywane są części o większej objętości. Lepkość materiału i czas utwardzania będą dyktować odpowiednią szybkość wtrysku dla każdego systemu materiału.

Disclosures

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

Autorzy nie mają do ujawnienia żadnych konfliktów interesów.

Acknowledgements

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

Autorzy dziękują Purdue University za zapewnienie zaplecza laboratoryjnego do przeprowadzenia badań.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Sprężarka powietrzaRzemieślnikCMEC6150PRZENOŚNY: 6-galonowy kompresor do naleśników
https://www.craftsman.com/collections/air-compressors/products/cmec6150
Barwnik do eko flexuWygładzaniePMS 2757CSilc Pig silikonowe pigmenty kolorowe. Pigmenty Silc Pig są skoncentrowane, więc odrobina wystarcza podczas barwienia produktów silikonowych Smooth-On.
Niestandardowe kolory są możliwe poprzez mieszanie różnych kolorów Silc Pig.
Silc Pig 9 Pack Sampler zawiera, KREW, NIEBIESKI, BRĄZOWY, ZIELONY, JASNY MIĄŻSZ, CZERWONY, BIAŁY, ŻÓŁTY.
https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/
IzopropylowyŁabędź70% Alkohol Izopropylowy - Butelka 16 uncji S-15966 - Uline70% Alkohol izopropylowy - butelka 16 uncji
www.uline.com
Kubki do mieszaniaSoloModel nr: S-19462RPlastikowe kubki imprezowe
www.uline.com
Uwalnianie formy do szablonuEase Release 200 & 205Środek antyadhezyjny do modeli i wzorów do wykonywania form z żywicy epoksydowej, uretanowej i silikonowej RTV.
https://www.reynoldsam.com/
Arkusz Mylar 3 milSzablony online LLCNIEArkusze Mylar | Materiał szablonu
www.stencilsonline.com
Taśma maskująca dla malarzyUline powiedział:S-26006Taśma maskująca Uline Painters
www.uline.com
Ręczniki papieroweUline powiedział:S-7711 UlineS-7711 Uline - Chłonny ręcznik w ekonomicznej cenie. 2-warstwowy.
www.uline.com
Patyczki do lodówDarycyNumer modelu przedmiotu: D-0139#, UPC 652695701399https://www.amazon.com/Darice-Popsicle-Sticks-Crafts-Natural/dp/B0CPKHS44K/?th=1
ProszekPigmenty ziemiDwutlenek tytanu PW6Tytanowe białe pigmenty ziemi
https://www.earthpigments.com/
Silikon (ecoflex)WygładzanieEcoflex 00-20Silikony katalizowane platyną
https://www.smooth-on.com/
Klej w sprayuŁatwość szablonuKod produktu:  ASA0005Szablon Łatwy do zmiany położenia klej w sprayu
https://www.stencilease.com/
Pistolet natryskowy / aerografBorsukSamolot Patriot 105Badger Patriot 105 Aerograf
https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp
ProbówkiŚwiatowa działalność naukowaNumer 83576, Nr części producenta #: 625450 ml polistyrenowe probówki wirówkowe ogólnego przeznaczenia z nakrętkami - sterylne
www.usplastic.com
Rurki winyloweWódz Siuksów Numer modelu: 900-01163C00501 Menards  Kod produktu: 6840523Przezroczyste rurki winylowe Sioux Chief
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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Elastomeric SurfacesFine Particle PatternsDigital Image CorrelationSurface Field DeformationOptical TrackingStenciled PatternsInjection MoldingSpeckle PatternsMechanical TestingMold Surface Preparation

Related Articles