Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Производство измерительного устройства с улучшенным 3D-принтером

5.7K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/60177

⸱

30 января 2020 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

В этой работе представлен датчик измерения деформации, состоящий из механизма усиления и полидиметилсилоксанового микроскопа, изготовленного с помощью улучшенного 3D-принтера.

Аннотация

Традиционный датчик измерения деформации должен быть электрифицирован и подвержен электромагнитным помехам. Для того, чтобы решить колебания в аналоговый электрический сигнал в традиционной операции датчика деформации, новый метод измерения деформации представлен здесь. Он использует фотографический метод для отображения изменения напряжения путем усиления изменения смещения указателя механизма. Визуальный полидиметилсилоксан (PDMS) объектив с фокусным расстоянием 7,16 мм был добавлен в камеру смартфона для создания группы объективов, действующих в качестве микроскопа для захвата изображений. Он имел эквивалентное фокусное расстояние 5,74 мм. Акрилонитрил бутадиена стирола (ABS) и нейлоновые усилители были использованы для проверки влияния различных материалов на производительность датчика. Производство усилителей и объектива PDMS основано на усовершенствованной технологии 3D-печати. Полученные данные были сопоставлены с результатами анализа конечных элементов (FEA) для проверки их достоверности. Чувствительность усилителя АБС составляла 36,03 и 1,34 евро/мкм, а чувствительность нейлонового усилителя составляла 36,55 и 0,53 евро/мкм.

Введение

Получение легких, но прочных материалов особенно важно в современной промышленности. Свойства материалов влияют при воздействии стресса, давления, торсии и изгиба вибрации во время использования1,2. Таким образом, измерение деформации материалов важно для анализа их долговечности и устранения неполадок. Такие измерения позволяют инженерам анализировать долговечность материалов и устранять производственные проблемы. Наиболее распространенный метод измерения штамма в промышленности использует датчики напряжения3. Традиционные датчики фольги широко используются из-за их низкой стоимости и хорошей надежности4. Они измеряют изменения в электрических сигналах и преобразуют их в различныесигналы5,6. Однако этот метод оставляет детали профиля деформации в измеренном объекте и подвержен шуму от вибрационных электромагнитных помех с аналоговыми сигналами. Разработка точных, высоко повторяемых и простых методов измерения штамма материала имеет важное значение в инженерии. Таким образом, изучаются и другие методы.

В последние годы наноматериалы вызвали большой интерес у следователей. Для измерения нагрузки на мелкие объекты, Osborn et al.7,8, предложил метод измерения штамма 3D наноматериалов с помощью электронного рассеяния (EBSD). Используя молекулярную динамику, Lina et al.9 исследовали межслойную инженерию штамма трения графена. Распределенные измерения штамма оптического волокна с использованием спектроскопии Рейли с обратной сбросом (RBS) широко использовались при обнаружении неисправностей и для оценки оптических устройств из-за их высокого пространственного разрешения и чувствительности10. Решетка волоконно-оптических (FBG)11,12 распределенных датчиков деформации были широко использованы для высокоточных измерения деформации13 для их чувствительности к температуре и деформации. Для того, чтобы контролировать изменения деформации, вызванные лечением после инъекции смолы, Sanchez et al.14 встроил оптоволоконный датчик в пластину эпоксидного углеродного волокна и измерил полный процесс деформации. Дифференциальная интерференционная контрастность (DIC) является мощным методом измерения деформации поля15,16,17, который широко используется, а18. Сравнивая изменения измеренных уровней серых поверхностей в собранных изображениях, анализируется деформация и вычисляется штамм. Чжан и др.19 предложил метод, который опирается на введение усиленных частиц и DIC изображения развиваться из традиционных DIC. Фогель и Ли20 вычислили значения штамма с помощью автоматического метода с двумя представлениями. В последние годы это позволило одновременное наблюдение за микроструктурами и измерение деформации в составных композитах, усиленных частицами. Традиционные датчики деформации эффективно измеряют напряжение только в одном направлении. Ymelka et al.21 предложил анагнистого гибкого датчика деформации, который улучшает традиционный метод датчика деформации, обнаруживая изменения в резистентности датчика. Также можно измерить штамм с помощью биологических или химических веществ. Например, ионные проводящие гидрогели являются эффективной альтернативой деформации / тактильные датчики из-за их хорошие свойства растяжить и высокой чувствительности22,23. Графен и его композиты обладают отличными механическими свойствами и обеспечивают высокую мобильность носителей наряду с хорошей пьезорезистивностью24,25,26. Следовательно, датчики деформации на основе графена широко используются в электронном мониторинге здоровья кожи, носимой электроники и других областях27,28.

В этой работе представлено концептуальное измерение деформации с использованием полидиметилсилоксана (PDMS) и системы усиления. Устройство отличается от традиционного датчика деформации, так как не требует проводов или электрических соединений. Кроме того, перемещение может наблюдаться непосредственно. Механизм усиления может быть размещен в любом месте на испытанный объект, что значительно увеличивает повторяемость измерений. В этом исследовании датчик и усилитель деформации были изготовлены с помощью технологии 3D-печати. Сначала мы улучшили 3D-принтер, чтобы повысить его эффективность в соответствии с нашими требованиями. Сферическое экструзионное устройство было разработано для замены традиционного одноматериального экструдера, управляемого нарезным программным обеспечением для завершения преобразования металлических и пластиковых сопла. Соответствующая молдинговая платформа была изменена, а устройство для зондирования смещения (усилитель) и считывающее устройство (микроскоп PDMS) были интегрированы.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Сборка механизма усиления

  1. Построить экспериментальную платформу, включающее улучшенный 3D-принтер, индикатор датчика деформации, водительское устройство, опорную раму, алюминиевый батончик, объектив PDMS, смартфон, вес, печатный усилитель(Дополнительная диаграмма 1),и датчик деформации, как показано на рисунке 1.
  2. Установите высоту каждого слоя в принтере на уровне 0,05 мм для нейлона и 0,2 мм для ABS. Установите диаметр печатной головки до 0,2 мм в обоих случаях. Установите температуру сопла до 220 градусов по Цельсию для нейлона и 100 градусов по Цельсию для АБС. Наконец, установите скорость печати до 2000 мм/мин для нейлона и 3500 мм/мин для ABS.
  3. Отрегулируйте ориентацию сферической экструзионной головки так, чтобы металлическая насадка вылегала на низкотемпературную платформу, и распечатайте контур, чтобы обеспечить нормальную экструзию, как показано на рисунке 2.
  4. Повесьте нейлон и ABS на колонке. Передняя часть должна ввести контейнер для печати катушки, чтобы быть расплавленным металлическим соплом.

2. Сборка микроскопа PDMS

  1. Используя магнитный мешалку, смешайте прекурсор PDMS и лечебное средство, чтобы получить соотношение веса 10:1.
  2. Поместите смесь в дегазсер в течение 40 минут, чтобы удалить пузырьки и залить дегазированной смеси в контейнер PDMS сферической экструзионной головки.
  3. Поверните сферическую голову экструзии и платформу так, чтобы пластиковая насадка вылегала на высокотемпературную платформу.
  4. Установите приращение пластиковой сопла до 50 qL. Поместите нижний конец устройства пипетки 20 мм29 от формы, используя вращение сопла и шаговой двигатель в оси.
  5. Включите горячую пластину, чтобы нагреть высокотемпературную платформу. Температура платформы контролируется бесконтактным инфракрасным излучением термометром.
    ПРИМЕЧАНИЕ: В ходе этого исследования была проверена температура 140 градусов по Цельсию, 160 градусов по Цельсию, 180 градусов по Цельсию, 200 градусов по Цельсию, 220 градусов по Цельсию и 240 градусов по Цельсию.
  6. Сожмите контейнер PDMS для печати объектива PDMS.
  7. Охладите объектив PDMS до комнатной температуры и удалите его резиновым пинцетом.
  8. Определите геометрические параметры объектива, включая угол контакта, радиус кривизны и диаметр капли, используя трехмерный анализатор формы.

3. Измерение напряжения для погрузочных испытаний в контрольных и испытательных группах

  1. Используйте бар из алюминия 6063 T83 в качестве пучка кантилевера. Длина, ширина и толщина пучка кантилевера должна быть 380 мм х 51 мм х 3,8 мм соответственно. Исправьте один конец операционного стола с болтами и гайками.
  2. Нарисуйте крест в центре и 160 мм от свободного конца пучка кантилевера.
  3. Чтобы удалить оксидный слой на пучке кантилевера, отполируйте его поверхность тонкой наждачной бумагой перед вставкой. Направление шлифования должно быть около 45 "от направления деформации датчик провода сетки. Используйте вату, пропитанную ацетоном, чтобы протереть поверхность пучка кантилевера и поверхность пасты датчика деформации.
  4. Подключите водительское устройство и индикатор датчика напряжения. Включите питание. Используйте датчик деформации, установленный на центральной поверхности алюминиевого бара в его фиксированном конце, чтобы измерить изменения деформации.
  5. Закрепите стандартный вес свободному концу пучка кантилевера, чтобы контролировать концентрированный вход силы. Ознакомьте данные с помощью обычного индикатора датчика деформации с помощью метода соединения с четвертьмостом.
  6. Замените датчик деформации абс и нейлоновыми усилителями в одном месте.
  7. Прикрепите объектив PDMS к камере смартфона с 8-мегапиксельным датчиком на расстоянии фокуса 29 мм. Отрегулируйте фокусное расстояние камеры до получения четкого изображения. Прочитайте смещение указателя с помощью микроскопа PDMS.
  8. Повторите шаги 3.5 и 3.6, установив нагрузку на 1 N, 2 N, 3 N, 4 N и 5 N каждый раз.

4. Анализ конечных элементов

  1. Создание 3D конечных элементов нейлона и частей ABS для измерения деформации (см. Таблица Материалов для используемого программного обеспечения). Импортировать пучок кантилевера и усиливающийся механизм в материальную библиотеку программного обеспечения и имитировать их расположение.
  2. Проанализируйте механические свойства указателя усиливающего механизма под действием пучка кантилевера.
  3. Создание сетки для использования в 3D геометрических моделях с использованием тетраэдральных элементов с тонким размером элемента. Уточните петли сгибания, особенно шарнир между указателем и другими телами.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Молодые модули эластичности, используемые для алюминия, нейлона и АБС, были 69 GPa, 2 GPa и 2,3 GPa, соответственно. Коэффициенты Пуассона, используемые для алюминия, нейлона и АБС, составляли 0,33, 0,44 и 0,394 соответственно.
  4. Нанесите концентрированную силу 1 N к центру свободного конца пучка кантилевера. Повторите с 2 N, 3 N, 4 N и 5 N.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

При повышении температуры платформы диаметр капель и радиус кривизны уменьшались, в то время как угол контакта увеличивался(рисунок 3). Таким образом, фокусное расстояние PDMS увеличилось. Тем не менее, для платформы температуры выше 220 градусов по Цельсию, очень короткое время лечения наблюдалось в каплях, и они не могли распространяться в плоскости выпуклость формы. Это можно отнести к низкой области крепления при присоединении к камере смартфона. Таким образом, только мягкие линзы, сформ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Выходное смещение развивалось линейно с силой, сосредоточенной в свободном конце пучка кантилевера, и соответствовало симуляциям FEA. Чувствительность усилителей составила 36,55 х 0,53 евро/мкм для нейлона и 36,03 х 1,34 евро/мкм для АБС. Стабильная чувствительность подтвердила осуществимость и эффективность быстрого прототипирования высокоточных датчиков с помощью 3D-печати. Усилители имели высокую чувствительность и были свободны от электромагнитных помех. Кроме того, они имели простую структуру, небольшой объем и малы...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы не заявляют о каких-либо противоречащих друг другу интересах.

Благодарности

Эта работа была финансово поддержана Национальным научным фондом Китая (Грант No 51805009).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ABSHengli dejian plastic electrical products factory Используетсядля печати провода диаметром 1,75 мм для усилительного механизма
Алюминиевый стержень 6063 T83 Длина, ширина и толщина консольной балки составляют 380 мм, 51 мм и 3,8 мм.
ANSYSANSYSANSYS 14.5
CURAUltimakerCura 3.0Софт для нарезки, использование с улучшенным 3D-принтером
Отверждающий агентDow CorningPDMS и отвердитель смешиваются с весовым соотношением 10:1
Приводное устройствоXinmingtianE00
Улучшенный 3D-принтер и аксессуарыСделал сам. Используется поворотная сферическая подъемная платформа. Сферическая подъемная платформа оснащена насадкой и пипеткой, которые можно свободно переключать и печатать. С помощью ротационной печатной платформы можно свободно контролировать температуру платформы.
iPhone 6AppleMG4A2CH/A8-мегапиксельный сенсор и эквивалентное расстояние фокусировки 29 мм
мешалка MageneticSCILOGEXMS-H280-Pro
NylonHengli dejian пластик электротехническая продукция фабрикиИспользуется для печати провода диаметром 1,75 мм для усилительного механизма
PDMSDow CorningSYLGARDDC184После того, как вязкая смесь нагреется и затвердеет, ее можно объединить с устройством усиления линз мобильного телефона для получения изображения.
Анализатор формыGltechSURFIEW 4000
SolidworksDassault SystemsSolidworks 2017Помощь в моделировании
Тензометрический датчик VISHAYVishayИспользуется для измерения деформации, полученной в ходе эксперимента.
Тензометрический индикатор VISHAYСбор данных о деформацииVishay
.

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

3D
Производство измерительного устройства с улучшенным 3D-принтером
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.