Wirtualny eksperyment symulacyjny mechaniki: deformacja i uszkodzenie materiału na podstawie skaningowej mikroskopii elektronowej
20 stycznia 2023
Ta praca przedstawia trójwymiarowy wirtualny eksperyment symulacyjny dla deformacji i uszkodzenia materiału, który dostarcza wizualizacji procesów eksperymentalnych. Dzięki zestawowi eksperymentów użytkownicy mogą zapoznać się ze sprzętem i nauczyć się obsługi w wciągającym i interaktywnym środowisku edukacyjnym.
System może być wykorzystywany do instruowania naszych studentów w zakresie protokołów eksperymentalnych, obsługi sprzętu i weryfikacji teoretycznej, co pozwala im na ciągłe doskonalenie swoich działań i umiejętności laboratoryjnych. Boczne eksperymenty z trójwymiarową wirtualną symulacją mogą być przeprowadzane w celu wykrycia deformacji materiału i awarii bez obawy o uszkodzenie systemu fizycznego lub zranienie się. Po uzyskaniu dostępu i wejściu do interfejsu, postępuj zgodnie ze wskazówkami podanymi na rysunku, aby wirtualnie dotrzeć do uniwersalnej maszyny do testowania pełzania w wysokiej temperaturze i umieścić próbki stosu między płytami clamps maszyny.
Po podświetleniu komputera wirtualnego po lewej stronie maszyny testującej kliknij komputer wirtualny i ustaw schemat testu na komputerze sterującym maszyny. Następnie kliknij podświetlone urządzenia grzewcze i pompujące próżniowo i włącz zasilanie. Otwórz wirtualną pompę mechaniczną i zawór zwrotny w interfejsie, klikając odpowiednie podświetlone przyciski, aby zakończyć ustawienia kontroli podciśnienia w systemie.
Na panelu sterowania w uniwersalnej maszynie do pełzania kliknij przycisk wyczyść, aby wyczyścić dane, a następnie kliknij przycisk uruchom, aby zakończyć eksperyment kopiowania wzoru na formie do blachy przy użyciu metody formowania ściskanego z równoległą płytą. Po zakończeniu odlewania formy należy ponownie kliknąć na komputer wirtualny i sprawdzić dane eksperymentalne na komputerze sterującym uniwersalnej maszyny do badania pełzania. Otwórz pokrywę na maszynie do inkrustacji próbek metalograficznych i umieść próbkę.
Aby wsypać przygotowany proszek, kliknij podświetlony popolimetakrylan metylu lub proszek PMMA. Następnie kliknij podświetloną formę, aby umieścić ją na wierzchu proszku PMMA. Następnie kliknij podświetlone pokrętło ręczne i dostosuj położenie formy, aby automatycznie zakryła pokrywę.
Kliknij przycisk włączania, wyłączania, aby włączyć inkrustator. Po schłodzeniu wyjmij inkrustowaną próbkę PMMA. Wejdź do pomieszczenia do polerowania i korozji, postępując zgodnie ze wskazówkami dotyczącymi ścieżki pokazanymi na rysunku.
Znajdź podświetloną maszynę do polerowania i kliknij chwytak maszyny, aby zamontować inkrustowaną próbkę do chwytaka. Ustaw prędkość, aby zmielić i wypolerować próbkę, usuwając podłoże z formowanego materiału. Zmiel formę z jednej strony, aż wzór na formie zostanie odsłonięty.
Aby wykonać charakterystykę próbki, należy wirtualnie otworzyć szafkę do przechowywania chemikaliów i wyjąć stały wodorotlenek potasu. Kliknij podświetloną zlewkę i stały wodorotlenek potasu, aby przygotować płyn korozyjny, aby uzyskać 10% roztwór wodorotlenku potasu. Wybrać zaznaczony roztwór wodorotlenku potasu i próbkę, aby skorodować drabinę w próbkę metalograficzną.
Następnie należy oczyścić próbkę po usunięciu podłoża krzemowego i przeprowadzić scharakteryzowane badanie z przygotowaną próbką pod mikroskopem optycznym. Załaduj próbkę na stolik na próbkę nanoindenter i wybierz stożek i wgłębnik, aby zamontować go na sterowniku systemu testowania mikro i nano mechaniki. Kliknij podświetlony dysk, aby połączyć go z nanoindenterem.
Po zainstalowaniu nanoindentera i załadowaniu próbki do oprogramowania sterującego SEM, kliknij przycisk odpowietrzania. Otwórz komorę SEM po przerwaniu podciśnienia, zainstaluj nanoindenter na stoliku próbki SEM i podłącz przewody, jak pokazano na rysunku. Następnie otwórz oprogramowanie sterujące nanoindentera i kolejno wybierz załadowany zakres wgłębnika.
Wybierz protokół eksperymentalny. Uruchom kontroler i inicjalizację, aby zainicjować inicjalizację etapu próbki. Po inicjalizacji zamknij komorę SEM i kliknij przycisk pompy w oprogramowaniu sterującym SEM.
Następnie kliknij przycisk w górę lub w dół w oprogramowaniu sterującym SEM, aby dostosować położenie stolika próbki wzdłuż pola widzenia SEM. Napraw pozycję, klikając przycisk OK. Włącz działo elektronowe, wybierając podświetlony przycisk EHT.
Przełącz się na tryb obserwacji mikroskopii elektronowej, wybierając przycisk aparatu. Na koniec kliknij uruchom w oprogramowaniu sterującym nanoindenterem. Aby zakończyć eksperyment, kliknij przycisk stop w oprogramowaniu sterującym nanoindentera.
System udoskonalił projekt schematu eksperymentalnego, łącząc go z operacjami, zapewniając natychmiastową walidację. Na przykład, gdy użytkownik wybrał kierunek umieszczania próbki, interfejs do korzystania z maszyny do inkrustacji próbek metalograficznych pokazywał wyniki. Podobnie, analizując wynikowy czas przemieszczenia i krzywe naprężenia odkształcenia z eksperymentu mechanika wewnętrznego mikrobelki wspornikowej z obecnymi pęknięciami, użytkownik mógł określić, w jaki sposób uzyskano wyniki.
W symulowanym scenariuszu studenci musieli ocenić wielkość ładunku i czas ładowania zgodnie ze stosunkiem długości do średnicy próbki, która miała być przygotowana przed przeprowadzeniem eksperymentu reologicznego, zamiast często stosowanego podejścia prób i błędów. Ponadto, dzięki zintegrowanym ćwiczeniom po eksperymentach, użytkownicy mogą systematycznie przeglądać cały proces eksperymentu i łączyć teorię z eksperymentem. Korzystając z wirtualnej symulacji internetowej, studenci ukończyli eksperyment średnio w około 73 minuty, weryfikując skuteczność tego podejścia.
Wyniki egzaminów online przeprowadzonych w dwóch grupach studentów inżynierii mechaniki wykazały, że osoby z doświadczeniem w wirtualnym interfejsie radziły sobie lepiej niż te, które go nie miały, co dodatkowo demonstruje skuteczność tego podejścia. To uczy studentów zainteresowania badawczego i poczucia innowacyjności poprzez szkolenie ich w zakresie opanowania technik testowania, metod i zasad zaawansowanych eksperymentów mechanicznych mikro i nano umiejętności.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
To badanie przedstawia trójwymiarowe wirtualne eksperymenty symulacyjne zaprojektowane do analizy deformacji materiałów i awarii. Oferuje ono immersyjne środowisko edukacyjne, w którym użytkownicy mogą zapoznać się z protokołami eksperymentalnymi i sprzętem.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Nauki materiałowe
- Wirtualne symulacje
- Technologia edukacyjna
Tło
- Znaczenie praktycznych doświadczeń w warunkach laboratoryjnych.
- Wyzwania związane z fizycznymi eksperymentami w badaniach materiałowych.
- Potrzeba bezpiecznych i skutecznych metod szkoleń.
- Postępy w technologiach wirtualnych symulacji.
Cel badania
- Aby poprawić zrozumienie protokołów eksperymentalnych przez studentów.
- Aby zapewnić bezpieczne środowisko do ćwiczenia umiejętności laboratoryjnych.
- Aby wizualizować procesy deformacji i awarii materiałów.
Stosowane metody
- Trójwymiarowy interfejs wirtualnej symulacji.
- Instrukcjonalne wskazówki dotyczące obsługi sprzętu.
- Interaktywne moduły edukacyjne do badań materiałowych.
- Wirtualne ustawienie uniwersalnej maszyny do badań pełzania w wysokiej temperaturze.
Główne wyniki
- Użytkownicy mogą bezpiecznie przeprowadzać eksperymenty bez fizycznych ryzyk.
- Lepsze zrozumienie sprzętu i protokołów.
- Ulepszone umiejętności laboratoryjne dzięki wielokrotnej praktyce.
- Wizualizowane procesy eksperymentalne pomagają w weryfikacji teoretycznej.
Wnioski
- Wirtualne symulacje są skuteczne dla celów edukacyjnych.
- Zapewniają ryzyko-wolne środowisko do nauki.
- Taki sprzęt może znacząco poprawić zaangażowanie i zrozumienie studentów.
Często zadawane pytania
Executive Industry Relevance
Virtual simulation of material deformation and failure using SEM and nanoindentation provides a risk-free, scalable environment for early-stage mechanistic studies in biopharma R&D. This approach enables teams to interrogate material properties, optimize experimental design, and validate instrumentation workflows before physical implementation. Integrating interactive, quantitative outputs supports predictive confidence and accelerates method standardization across discovery and preclinical research.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables hypothesis-driven interrogation of material mechanics relevant to device and biomaterial development.
- Supports functional validation of micro- and nano-scale mechanical properties using virtualized SEM and nanoindenter workflows.
- Facilitates predictive de-risking by allowing parameter variation and failure mode analysis without physical resource constraints.
Screening & Assay Development
- Prepares validated virtual systems for downstream physical assay development and standardization.
- Enables reproducible, quantitative measurement of deformation and failure metrics for comparative analysis.
- Accelerates screening readiness by allowing rapid iteration of test conditions and protocols.
Translational & Preclinical Research
- Aligns virtual mechanical testing with translational biomaterial evaluation when physical samples are limited.
- Supports continuity from discovery-stage simulation to preclinical validation of device or material performance.
- Reduces risk of late-stage failure by identifying critical mechanical thresholds in silico.
Pipeline & Workflow Integration
This virtual simulation platform fits at the interface of early discovery, assay development, and preclinical model optimization, enabling iterative hypothesis testing and workflow refinement before physical execution.
- Discovery Biology: Supports mechanistic hypothesis testing and pathway clarification for material and device R&D.
- Screening: Provides quantitative, reproducible outputs for benchmarking and protocol optimization.
- Analytics: Delivers stress-strain and displacement-time curves for robust comparative analysis.
- Translational Research: Bridges simulation data with preclinical performance metrics for risk-adjusted advancement.
- Enterprise Reuse: Offers a scalable, reusable platform for training, protocol validation, and cross-team standardization.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in material and device workflows.
- Operational Value: Enhances standardization, reproducibility, and scalability of experimental protocols.
- Strategic Value: Improves go/no-go decision quality and capital efficiency by front-loading risk assessment.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of material and device candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in material mechanics, SEM operation, and nanoindentation analysis.
- Demands robust computational infrastructure and virtual simulation software integration.
- Benefits from cross-team alignment on protocol standards and data interpretation.
- Adaptable to a range of material types and device geometries with appropriate parameterization.
- Dependent on the fidelity of virtual models to accurately reflect physical system behavior.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:44
Molding the Specimen
2:48
Specimen Characterization, Loading, and Nanoindenter Installation
3:40
In‐Situ Scanning Electron Microscopy (SEM) Experiment
4:56
Results: Efficiency of the Web-Based Virtual Simulation Experiment
6:22
Conclusion
