Name: Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2020-01-30T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 17 s
Description: Poznaj produkcję czujnika pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D i mikroskopem PDMS. Ta metoda umożliwia pomiar deformacji mikrostruktur bez połączeń elektrycznych w różnych zastosowaniach naukowych.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

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

1. Montaż mechanizmu wzmacniającego
<ol>
	<li>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 <silna klasa="xfig">Rysunek 1.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Zawieś nylon i ABS na kolumnie. Przedni koniec musi wejść do pojemnika cewki drukarskiej, aby został stopiony przez metalową dyszę.</li>
</ol>
2. Montaż mikroskopu PDMS
<ol>
	<li>Za pomocą mieszadła magnetycznego wymieszaj prekursor PDMS i utwardzacz, aby uzyskać stosunek wagowy 10:1.</li>
	<li>Umieść mieszaninę w odgazowywaczu na 40 minut w celu usunięcia pęcherzyków i wlej odgazowaną mieszaninę do pojemnika PDMS sferycznej głowicy wytłaczającej.</li>
	<li>Obróć sferyczną głowicę wytłaczającą i platformę tak, aby plastikowa dysza była skierowana w stronę platformy o wysokiej temperaturze.</li>
	<li>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.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Ściśnij pojemnik PDMS, aby wydrukować soczewkę PDMS.</li>
	<li>Schłodzić soczewkę PDMS do temperatury pokojowej i usunąć ją gumową pęsetą.</li>
	<li>Określ parametry geometryczne soczewki, w tym kąt zwilżania, promień krzywizny i średnicę kropli, za pomocą trójwymiarowego analizatora kształtu.</li>
</ol>
3. Pomiar odkształcenia dla testów obciążeniowych w grupie kontrolnej i testowej
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Narysuj krzyż pośrodku i 160 mm od wolnego końca belki wspornikowej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Podłącz urządzenie sterujące i wskaźnik tensometryczny. Włącz zasilanie. Użyj tensometru zamontowanego na środkowej powierzchni aluminiowego pręta na jego stałym końcu, aby zmierzyć zmiany odkształcenia.</li>
	<li>Przymocuj standardowy ciężar do wolnego końca belki wspornikowej, aby kontrolować skoncentrowaną siłę wejściową. Odczytaj dane za pomocą konwencjonalnego wskaźnika tensometrycznego z metodą połączenia ćwierćmostkowego.</li>
	<li>Wymień tensometr na ABS i nylon amplifiers w tym samym miejscu.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Powtórz kroki 3.5 i 3.6, za każdym razem ustawiając obciążenie na 1 N, 2 N, 3 N, 4 N i 5 N.</li>
</ol>
4. Analiza metodą elementów skończonych
<ol>
	<li>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.</li>
	<li>Przeanalizuj właściwości mechaniczne wskazówki mechanizmu wzmacniającego pod wpływem belki wspornikowej.</li>
	<li>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.</li>
	<li>Przyłożyć skoncentrowaną siłę 1 N do środka wolnego końca belki wspornikowej. Powtórz z 2 N, 3 N, 4 N i 5 N.</li>
</ol>

<ol><li>Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+micro-nuclear-mechanical+system+for+strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Radiation+Physics+and+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement.</a> Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).</li>
<li>Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+strain+rate+on+mechanical+properties+of+the+bamboo+material+under+quasi-static+and+dynamic+loading+condition%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition.</a> Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).</li>
<li>Mattana, G., Briand, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recent+advances+in+printed+sensors+on+foil%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Recent advances in printed sensors on foil.</a> Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).</li>
<li>Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+of+a+micro-nuclear-mechanical+system+for+strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Radiation+Physics+and+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement.</a> Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).</li>
<li>Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Printed+strain+sensors+in+organic+coatings%3A+In+depth+analysis+of+sensor+signal+effects%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).</li>
<li>Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Foil-integrated+2D+Optical+Strain+Sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Procedia+Technology%22%5BJournal%5D)">Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors.</a> Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).</li>
<li>Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+measurement+of+3D+structured+nanodevices+by+EBSD%5BTitle%5D)+AND+%22Ultramicroscopy%22%5BJournal%5D)">Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD.</a> Ultramicroscopy. 184, 88(2018).</li>
<li>Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+the+reliability+of+twin+variant+analysis+in+Mg+alloys+by+in+situ+EBSD+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Magnesium+and+Alloys%22%5BJournal%5D)">Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique.</a> Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).</li>
<li>Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+engineering+of+friction+between+graphene+layers%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Tribology+International%22%5BJournal%5D)">Strain engineering of friction between graphene layers.</a> Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).</li>
<li>Shingo, O. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Long-range+measurement+of+Rayleigh+scatter+signature+beyond+laser+coherence+length+based+on+coherent+optical+frequency+domain+reflectometry%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Optics+Express%22%5BJournal%5D)">Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry.</a> Journal of Optics Express. 24 (17), 19651(2016).</li>
<li>Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Strain+Fiber+Bragg+Gratings+for+Structural+Fatigue+Testing+of+Military+Aircraft%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Photonic+Sensors%22%5BJournal%5D)">High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft.</a> Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).</li>
<li>Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+investigation+of+a+sensitivity-enhanced+fiber+Bragg+Grating+sensor+for+micro-strain+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sensors+and+Actuators%22%5BJournal%5D)">Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement.</a> Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).</li>
<li>Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+FBG+based+displacement+transducer+for+small+soil+deformation+measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Sensors+and+Actuators+A%3A+Physical%22%5BJournal%5D)">An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement.</a> Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).</li>
<li>Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Distributed+internal+strain+measurement+during+composite+manufacturing+using+optical+fibre+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Composites+Science+and+Technology%22%5BJournal%5D)">Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors.</a> Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).</li>
<li>Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Digital+image+correlation+%28DIC%29+for+measurement+of+strains+and+displacements+in+coarse%2C+low+volume-fraction+FRP+composites+used+in+civil+infrastructure%5BTitle%5D)+AND+%22Composite+Structures%22%5BJournal%5D)">Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure.</a> Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).</li>
<li>Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+of+Uncertainty+in+Digital+Image+Correlation+Technique+for+Strain+Measurement%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%3A+Proceedings%22%5BJournal%5D)">Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement.</a> Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).</li>
<li>Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Local+strain+mapping+of+GO+nanosheets+under+in+situ+TEM+tensile+testing%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing.</a> Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).</li>
<li>Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Application+of+digital+image+correlation+%28DIC%29+to+sloshing+liquids%5BTitle%5D)+AND+%22Optics+and+Lasers+in+Engineering%22%5BJournal%5D)">Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids.</a> Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).</li>
<li>Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Strain+measurement+of+particle+reinforced+composites+at+microscale%3A+an+approach+towards+concurrent+characterization+of+strain+and+microstructure%5BTitle%5D)+AND+%22Micron%22%5BJournal%5D)">Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure.</a> Micron. , (2019).</li>
<li>Vogel, J. H., Lee, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((An+automated+two-view+method+for+determining+strain+distributions+on+deformed+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Materials+Shaping+Technology%22%5BJournal%5D)">An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces.</a> Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).</li>
<li>Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thin-film+flexible+sensor+for+omnidirectional+strain+measurements%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Sensors+and+Actuators%22%5BJournal%5D)">Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements.</a> Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).</li>
<li>Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Highly+stretchable+ionic+conducting+hydrogels+for+strain%2Ftactile+sensors%5BTitle%5D)+AND+%22Polymer%22%5BJournal%5D)">Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors.</a> Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).</li>
<li>Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microdevice+arrays+with+strain+sensors+for+3D+mechanical+stimulation+and+monitoring+of+engineered+tissues%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues.</a> Biomaterials. 172, 30-40 (2018).</li>
<li>Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ultrahigh+electron+mobility+in+suspended+Graphene%5BTitle%5D)+AND+%22Solid+State+Communications%22%5BJournal%5D)">Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene.</a> Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).</li>
<li>Smith, A. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electromechanical+piezoresistive+sensing+in+suspended+graphene+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes.</a> Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).</li>
<li>Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+piezoresistivity+of+nanographene+films+for+strain+sensing%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing.</a> ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).</li>
<li>Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Graphene-based+transparent+strain+sensor%5BTitle%5D)+AND+%22Carbon%22%5BJournal%5D)">Graphene-based transparent strain sensor.</a> Carbon. 51, 236-242 (2013).</li>
<li>Boland, C. S., Khan, U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sensitive+electromechanical+sensors+using+viscoelastic+graphene+polymer+nanocomposites%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites.</a> Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).</li>
<li>Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Fabricating+optical+lenses+by+inkjet+printing+and+heat-assisted+in+situ+curing+of+polydimethylsiloxane+for+smartphone+microscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Biomedical+Optics%22%5BJournal%5D)">Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy.</a> Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005(2015).</li>
</ol>

Autorzy deklarują brak sprzecznych interesów.

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...

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.

<table><tbody><tr><td>Fabryka</td><td></td><td>plastikowych produktów elektrycznych ABS Hengli Dejian</td><td>Służy do drukowania drutu o średnicy 1,75 mm do mechanizmu wzmacniającego</td></tr><tr><td>Aluminiowy pręt</td><td></td><td></td> 6063 T83 <td>Długość, szerokość i grubość belki wspornikowej wynosi 380 mm, 51 mm i 3,8 mm.</td></tr><tr><td>ANSYS</td><td>ANSYS</td><td>ANSYS 14.5</td><td></td></tr><tr><td>CURA</td><td>Ultimaker</td><td>Cura 3.0</td><td>Slicing softare, przy użyciu ulepszonej drukarki 3D</td></tr><tr><td>Utwardzacz</td><td>Dow Corning</td><td></td><td>PDMS i utwardzacz są mieszane w stosunku wagowym 10:1</td></tr><tr><td>Urządzenie napędowe</td><td>Xinmingtian</td><td>E00</td><td></td></tr><tr><td>Ulepszona drukarka 3D i akcesoria</td><td></td><td></td><td>Wykonane 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.</td></tr><tr><td>iPhone 6</td><td>Apple</td><td>MG4A2CH/A</td><td>8-megapikselowy czujnik i równoważna odległość ustawiania ostrości to 29 mm</td></tr><tr><td>Mieszadło Magenetic</td><td>SCILOGEX</td><td>MS-H280-Pro</td><td></td></tr><tr><td>Fabryka plastikowych</td><td>produktów</td><td></td> elektrycznych Nylon Hengli Dejian <td>Służy do drukowania drutu o średnicy 1,75 mm do mechanizmu wzmacniającego</td></tr><tr><td>PDMS</td><td>Dow Corning</td><td>SYLGARDDC184</td><td>Po podgrzaniu i utwardzeniu lepkiej mieszaniny można ją połączyć z urządzeniem wzmacniającym soczewkę telefonu komórkowego w celu uzyskania obrazu.</td></tr><tr><td>Analizator kształtu</td><td>Gltech</td><td>SURFIEW 4000</td><td></td></tr><tr><td>Solidworks</td><td>Dassault Systems</td><td>Solidworks 2017</td><td>Wspomaganie modelowania</td></tr><tr><td>Tensometru VISHAY</td><td>Vishay</td><td></td><td>Służy do pomiaru odkształcenia wytworzonego w eksperymencie.</td></tr><tr><td>Wskaźnik tensometryczny VISHAY</td><td>Akwizycja danych szczepu</td> <td>Vishay</td><td></td>.</tr></tbody></table>

produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3d

Production of a Strain-Measuring Device with an Improved 3D Printer

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.

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...

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

Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D

A traditional strain measurement sensor needs to be electrified and is susceptible to electromagnetic interference. In order to solve the fluctuations in ...

Dwufazowa produkcja ciało stałe-ciecz może być również stosowana do wytwarzania strukturalnych materiałów mikrosferycznych w różnych dziedzinach nauki, w tym w elektronice, biofarmaceutyce, energetyce i sektorze obronnym. System ten nie wymaga przewodów ani podłączenia elektrycznego i umożliwia pomiar szerokiego zakresu zastosowań związanych z deformacją mikrostruktury. Przed rozpoczęciem procedury zbuduj eksperymentalną platformę, która zawiera zmodyfikowaną drukarkę 3D, wskaźnik tensometryczny, urządzenie napędowe, ramę nośną, aluminiową belkę, soczewkę PDMS, smartfon, odważniki, drukowany wzmacniacz i tensometr.Ustaw wysokość warstwy nylonu w drukarce na 0,05 milimetra. Ustaw średnicę głowicy drukującej na 0,2 milimetra i ustaw temperaturę dyszy na 220 stopni Celsjusza. Ustaw prędkość drukowania na 2000 milimetrów na minutę.Dostosuj orientację sferycznej głowicy wytłaczającej tak, aby metalowa dysza była skierowana w stronę platformy niskotemperaturowej i wydrukuj kontur, aby zapewnić normalne wytłaczanie. Następnie zawieś nylon na kolumnie. Przedni koniec musi wejść do pojemnika cewki drukarskiej, aby został stopiony przez metalową dyszę.Aby zmontować mikroskop PDMS, użyj mieszadła magnetycznego, aby wymieszać stosunek wagowy prekursora PDMS do roztworu utwardzacza w stosunku wagowym 10 do jednego i odgazować mieszaninę przez 40 minut. Po usunięciu wszystkich pęcherzyków wlej mieszaninę do pojemnika PDMS sferycznej głowicy wytłaczającej i obróć sferyczną głowicę wytłaczającą i platformę tak, aby plastikowa dysza była skierowana w stronę platformy o wysokiej temperaturze. Ustaw przyrost dyszy z tworzywa sztucznego na 50 mikrolitrów i użyj obrotu dyszy i silnika krokowego w osi Z, aby umieścić dolny koniec pipety w odległości 20 milimetrów od formy.Następnie podgrzej platformę wysokotemperaturową i ściśnij pojemnik PDMS, aby wydrukować soczewkę PDMS. Gdy wydrukowana soczewka PDMS ostygnie do temperatury pokojowej, użyj gumowej pęsety, aby wyjąć ją z drukarki. Aby wykonać pomiar odkształcenia w teście obciążenia, użyj nakrętek i, aby przymocować jeden koniec aluminiowego pręta 6063-T83 o wymiarach 380 na 51 na 3,8 milimetra do stołu operacyjnego i narysuj krzyż pośrodku i 160 milimetrów od swobodnego końca belki wspornikowej.Aby usunąć warstwę tlenku z belki, wypoleruj powierzchnię drobnym papierem ściernym pod kątem około 45 stopni od kierunku siatki z drutu tensometrycznego. Za pomocą waty nasączonej acetonem przetrzyj powierzchnię szlifowanej belki wspornikowej i powierzchnię pasty tensometrycznej. Następnie podłącz urządzenie sterujące i wskaźnik tensometryczny i włącz zasilanie.Następnie zamontuj tensometr na środkowej powierzchni pręta aluminiowego na jego stałym końcu i przymocuj standardowy ciężar do wolnego końca belki wspornikowej, aby kontrolować skoncentrowaną siłę wejściową. Nagraj odczyt linii bazowej za pomocą konwencjonalnego wskaźnika tensometrycznego z metodą połączenia z ćwierćmostkiem przed wymianą tensometru na nylonowy amplifier. Przymocuj obiektyw PDMS do aparatu smartfona z ośmiomegapikselową matrycą w odległości ogniskowania 29 milimetrów i dostosuj ogniskową aparatu, aż do uzyskania wyraźnego obrazu.Następnie użyj mikroskopu PDMS, aby odczytać przemieszczenie wskaźnika. Aby przeprowadzić analizę metodą elementów skończonych, należy zaimportować belkę wspornikową i mechanizm wzmacniający do biblioteki materiałów oprogramowania i zasymulować ich położenie w systemie. Przeanalizuj właściwości mechaniczne wskaźnika mechanizmu wzmacniającego pod wpływem belki wspornikowej i użyj elementów czworościennych o drobnym rozmiarze elementu do wygenerowania siatek do wykorzystania w modelach geometrycznych 3D.Następnie udoskonal zawiasy zginające, zwłaszcza zawias między wskazówką a innymi korpusami, i przyłóż skoncentrowaną siłę jednego niutona do środka wolnego końca belki wspornikowej. Wraz ze wzrostem temperatury platformy zmniejsza się średnica kropli i promień krzywizny, a zwiększa się kąt zwilżania. W tym miejscu przedstawiono porównanie eksperymentalnego pomiaru przemieszczenia z symulacjami MES dla nylonu, podczas gdy ten wykres ilustruje minimalne i maksymalne rozbieżności między nachyleniami dla ABS.W tym reprezentatywnym eksperymencie określono czułość pomiaru dla nylonu i ABS. Kontrolowanie temperatury formowania soczewki PDMS jest trudne. Używamy bezdotykowego termometru promieniowania podczerwonego i platformy wysokotemperaturowej, aby zapewnić, że zmiany temperatury mieszczą się w granicach tolerancji.Ta metoda wytwarzania ciała stałego i cieczy może być również stosowana w badaniach w dziedzinie biofarmaceutyków, w szczególności do wytwarzania struktur mikrosferycznych.

production-of-a-strain-measuring-device-with-an-improved-3d-printer

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

Przedstawiamy prostą metodę wytwarzania urządzeń mikrofluidycznych zdolnych do stosowania podobnych warunków dynamicznych w odniesieniu do wielu odrębnych szczepów, bez konieczności korzystania z pomieszczeń typu clean room lub litografii miękkiej.

Urządzenie mikroprzepływowe do badania wielu odrębnych szczepów

Opracowaliśmy metodę taniego i szybkiego prototypowania urządzeń do formowania wtryskowego płynnego elastomeru, używając drukarek 3D do modelowania osadzania topionego do projektowania form i zmodyfikowanego eksykatora jako systemu wtrysku cieczy.

Szybkie i tanie prototypowanie wyrobów medycznych przy użyciu drukowanych w 3D form do formowania wtryskowego cieczy

Tutaj prezentujemy protokół budowy sterowanej ciśnieniem pompy strzykawkowej do zastosowań mikroprzepływowych. Ta pompa strzykawkowa jest wykonana z korpusu wytwarzanego przyrostowo, gotowego sprzętu i elektroniki typu open source. Powstały w ten sposób system jest tani, prosty w budowie i zapewnia dobrze regulowany przepływ płynów, co umożliwia szybkie badania mikroprzepływowe.

Trójwymiarowy druk materiałów termoplastycznych w celu stworzenia zautomatyzowanych pomp strzykawkowych ze sterowaniem zwrotnym do zastosowań mikroprzepływowych

Tutaj prezentujemy protokół do pomiaru stopnia zniekształcenia w każdej części cyfrowego wycisku konkurencyjnego łuku uzyskanego ze skanera wewnątrzustnego z wydrukowanym w 3D metalowym fantomem o standardowych geometriach.

Pomiar zniekształcenia pełnego łuku optycznego wycisku dentystycznego

Ten artykuł opisuje metodę przekształcenia taniej komercyjnej drukarki 3D w bakteryjną drukarkę 3D, która może ułatwić drukowanie wzorzystych biofilmów. Opisano wszystkie niezbędne aspekty przygotowania biodrukarki i biotuszu, a także metody weryfikacji w celu oceny powstawania biofilmów.

Trójwymiarowe wzory biofilmów inżynieryjnych za pomocą biodrukarki zrób to sam

Celem tej pracy jest zaprojektowanie i skonstruowanie trójwymiarowej drukarki do wytłaczania ze stopu opartej na zbiorniku, wykonanej z komponentów o otwartym kodzie źródłowym i tanich do zastosowań w przemyśle biomedycznym i spożywczym.

Projekt open-source, taniej drukarki 3D do wytłaczania biotuszu i żywności

Przedstawiona metoda polega na jednoosiowym rozciąganiu miękkich hydrożeli 3D osadzonych w gumie silikonowej, umożliwiając jednocześnie mikroskopię konfokalną na żywo. Przedstawiono charakterystykę zewnętrznych i wewnętrznych szczepów hydrożelu, a także wyrównanie włókien. Opracowane urządzenie i protokół mogą oceniać reakcję komórek na różne reżimy szczepów.

Kontrolowane odkształcanie hydrożeli 3D w obrazowaniu mikroskopowym na żywo

Druk 3D w skali mikrometrycznej umożliwia szybkie prototypowanie urządzeń polimerowych do hodowli komórek neuronalnych. Jako dowód słuszności zasady, połączenia strukturalne między neuronami były ograniczane przez tworzenie barier i kanałów wpływających na rozrost neurytów, podczas gdy funkcjonalne konsekwencje takiej manipulacji zaobserwowano za pomocą elektrofizjologii zewnątrzkomórkowej.

Polimeryzacja dwufotonowa: druk 3D urządzeń do hodowli komórek neuronalnych w mikroskali

Ten protokół opisuje procedurę trójwymiarowego (3D) drukowania kolonii bakteryjnych w celu zbadania ich ruchliwości i wzrostu w złożonych 3D porowatych matrycach hydrożelowych, które są bardziej zbliżone do ich naturalnych siedlisk niż konwencjonalne kultury płynów lub szalki Petriego.

Bakterie do drukowania 3D do badania ruchliwości i wzrostu w złożonych porowatych ośrodkach 3D

Protokół ten przedstawia konfigurację urządzenia do testów ściskania zdolnego do precyzyjnego pomiaru właściwości mechanicznych mikrostruktur w obszarze małych odkształceń, wraz z systematyczną metodą testów ściskania z użyciem tego urządzenia. Proponowane urządzenie może być wykorzystywane do analizy różnych mikrostruktur oraz zachowania mechanicznego materiałów na bazie polimerów.

Pomiar odpowiedzi na naprężenie ściskające-odkształcenie przy małych odkształceniach

Przedstawiamy tutaj nowatorskie urządzenie, które stosuje fale izotropowe i jednoosiowe odkształcenia na komórkach, wspierając hodowlę na substratach o regulowanej sztywności i konfigurowalnych macierzach białkowych. Ta prosta, ekonomiczna platforma umożliwia badaczom badanie, jak mechaniczne sygnały regulują funkcjonowanie komórek zarówno w badaniach podstawowych, jak i w kontekstach związanych z chorobą.

Nowatorska platforma do rozciągania i obrazowania komórkowego in vitro

Poznaj produkcję czujnika pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D i mikroskopem PDMS. Ta metoda umożliwia pomiar deformacji mikrostruktur bez połączeń elektrycznych w różnych zastosowaniach naukowych.

Produkcja urządzenia do pomiaru odkształceń z ulepszoną drukarką 3D

Przeglądaj więcej filmów