Toepassing van Design aspecten bij eenassige laden Machine ontwikkeling
Summary
Hier presenteren we een protocol te ontwikkelen een pure eenassige loading machine. Kritische ontwerpaspecten werkzaam zijn om ervoor te zorgen nauwkeurige en reproduceerbare testresultaten.
Abstract
Computers worden uitgevoerd in termen van nauwkeurige en precieze mechanische testen, het continuüm. Overwegende dat commerciële platformen uitstekende nauwkeurigheid bieden, kunnen zij kosten-verbiedend, vaak geprijsd in de $100.000-200.000 dollar prijsklasse. Aan het andere uiterste zijn zelfstandige handmatige apparaten die vaak ontbreken herhaalbaarheid en nauwkeurigheid (bijvoorbeeld, een handmatige crank apparaat). Als een eenmalig gebruik wordt vermeld, is het echter overdreven engineering aan de bouw en de machine iets overdreven uitwerken. Toch zijn er gelegenheden waar machines zijn ontworpen en gebouwd huis om het bereiken van een motie niet haalbaar met de bestaande machines in het laboratorium. Beschreven in detail hier is een dergelijk apparaat. Het is een laadplatform waarmee pure eenassige laden. Standaard laden machines zijn meestal biaxial in dat lineaire laden langs de as vindt en roterende laden om de as. Tijdens het testen met deze machines, wordt een belasting toegepast op één uiteinde van het specimen terwijl het andere einde vast blijft. Deze systemen zijn niet geschikt voor het uitvoeren van de zuivere axiale testen waarin spanning/compressie even aan de uiteinden van het model wordt toegepast. Het platform ontwikkeld in dit document maakt het mogelijk gelijke en tegenovergestelde laden van specimens. Hoewel het kan worden gebruikt voor compressie, is hier de focus op het gebruik ervan in zuivere treksterkte laden. Het apparaat bevat commerciële meetcellen en actuatoren (movers) en, zoals het geval met machines in eigen huis gebouwd, een frame is machinaal te houden van de commerciële delen en de inrichtingen voor het testen.
Introduction
Mechanische testen heeft een interessante geschiedenis die kan worden teruggevoerd tot de testapparatuur die in het begin in de twintigste eeuw ontwikkeld door Stanley Rockwell hardheid. Terwijl technologie is gegroeid in de mate dat standaard, gedocumenteerde procedures alles van de verificatie van prestaties van de machine naar de richtsnoeren begeleiden voor de uitvoering van specifieke tests1,2,3, 4. vandaag, mechanische tests zijn uitgevoerd op alles van bouwmaterialen zoals beton, staal en hout tot voedsel en textiel producten5,6,7,8,9 . Gezien het feit dat het gebied van biomedische technologie en, meer in het bijzonder, biomechanica mechanische testen gebruiken, zijn laden machines gemeengoed in biomechanica labs.
Laden machines uitgevoerd van het bereik van de schaal in biomechanica. Als voorbeeld, kunnen grotere laden machines worden gebruikt voor full-body-effectstudies verrichten of menselijke femorale mechanische eigenschappen, terwijl kleinere laden machines kunnen worden gebruikt om te testen lymfkliertest botten of stimuleren van de cellen10,11, bepalen 12,13,14. Twee soorten laden machines zijn te vinden in het testlaboratorium; degenen die commercieel worden gekocht en degenen die door de gebruiker zijn gebouwd. Laden machines intern ontwikkeld zijn vaak favoriet voor hun personalisatie en aanpassing opties15.
In testen, is een specimen beveiligd in de machine zodat een verplaatsing kan worden toegepast, het genereren van een meetbare werking. Als de belasting wordt gebruikt als de drijvende feedback, is de test belasting-gecontroleerde; Als de verplaatsing wordt gebruikt als de drijvende feedback, is de test verplaatsing bestuurde. Laden machines, in het algemeen zijn gebaseerd op een frame dat een verhuizer op een vaste drager verbindt. Zo omvat testen in het algemeen één uiteinde van het specimen wegvloeien, terwijl het andere einde vast blijft.
Afgebeeld in Figuur 1 is een schets van een eenvoudige loading machine demonstreren de basisonderdelen. Fundamenteel belang voor alle laden machines is een base of frame. Overwegende dat de overgrote meerderheid van commerciële merken een vaste basis gebruiken, toont de tekening een platform waarmee planaire (XY) beweging. In dit geval is de krachtbron, de bovenarm, die houdt van een belasting-cel en wordt aangestuurd door een stappenmotor. Aangesloten op het frame zijn de armaturen die houden van het model en het dicteren van het type test die wordt uitgevoerd. Weergegeven in de tekening zijn drie-punt bocht armaturen. De bovenste armatuur (het één-loket) is gemonteerd aan de bewegende arm; de onderste armatuur (de dubbele contactpersoon) is op de stationaire base gemonteerd. Tijdens het testen rijdt de motor naar beneden de bovenste armatuur naar waar het contact center neemt het model. Als de contactpersoon zich het specimen bezighoudt, registreert de belasting-cel de toename in de weerstand of de kracht die op het model geplaatst.
Er zijn gelegenheden waar de machines zijn ontworpen en gebouwd huis om bereiken een motie niet haalbaar met de bestaande machines in het laboratorium. Hier beschrijven we in detail een dergelijk apparaat. Het is een laadplatform dat maakt pure eenassige specimen laden of gelijke en tegenovergestelde beweging aan beide uiteinden. Het apparaat bevat commerciële meetcellen en actuatoren (movers); een frame is machinaal te houden van de commerciële onderdelen en laden armaturen voor specimen testen. Inzicht in de basisprincipes van testen machinebouw kan helpen bij het ontwerpen van iemands eigen machine. We hebben de tekeningbestanden die we gemaakt als uitgangspunt bij de onderzoekers met de ontwikkeling van hun eigen machine. De video zal zich richten op de vergadering van het apparaat en de toepassing van mechanische ontwerpprincipes om de uitlijning en betrouwbare testen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het doel van dit werk was voor het ontwerpen en fabriceren van een rendabele en betrouwbare eenassige loader voor het gebruik ervan met kleinschalige exemplaren zoals weefsels en vezels. Een apparaat werd dat voldoet aan de eisen en tegelijkertijd flexibel genoeg in ontwerp te maken voor nieuwe bijlagen worden vervaardigd als de gebruiker moet groeien uiteengezet gebouwd. Het apparaat kan bijvoorbeeld voor het testen van droge en natte specimens in een eenassige of vaste-end configuratie.
Krit…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de nationale instituten gezondheid NIDCR [DE022664].
Materials
| Power supply, 24 V DC 2.5 A out, 100-240 V AC in, plug for North America | Zaber Technologies inc | PS05-24V25 | |
| 6 pin mini din-male to female PS/2 extension cable | Zaber Technologies inc | T-DC06 | |
| Stepper motor controller, 2 phase | Zaber Technologies inc | A-MCA | |
| Linear actuator, NEMA size 11, 30 mm travel, 58 N maximum continuous thrust | Zaber Technologies inc | NA11B30 | |
| Corrosion resistant maintenance-Free Ball Bearing Carriages and Guide Rails | McMaster-Carr | 9184T31 | |
| 6061-t6 Aluminum Stock | McMaster-Carr | NA | |
| Plexiglas Stock | McMaster-Carr | NA | |
| Canister load cell, 4.5N | Honeywell Sensotec | NA | |
| USB to 6 pin mini-din | Universal | NA |
References
- . ASTM E4-16. Standard practices for force verification of testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016)
- . ASTM E2309/E2309M-16. Standard practices for verification of displacement measuring systems and devices used in materials testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016)
- . ASTM E2428-15a. Standard practice for calibration and verification of torque transducers Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2015)
- . ASTM E2624-17. Standard practice for torque calibration of testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017)
- . ASTM C39 – Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2018)
- . ASTM A370-17a. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017)
- . ASTM D4761-13. Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2013)
- Green, M. L., et al. Mechanical properties of cheese, cheese analogues and protein gels in relation to composition and microstructure. Food Structure. 5 (1), 169-192 (1986).
- . ASTM D76/D76M-11. Standard specification for tensile testing machines for textiles Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2011)
- Papini, M., Zdero, R., Schemitsch, E. H., Zalzal, P. The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (1), 12-19 (2007).
- Poulet, B., et al. Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions. Osteoarthritis and Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).
- Li, J., et al. Osteoblasts subjected to mechanical strain inhibit osteoclastic differentiation and bone resorption in a co-culture system. Annals of Biomedical Engineering. 41 (10), 2056-2066 (2013).
- Huang, A. H., et al. Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels. Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).
- Keyes, J. T., Haskett, D. G., Utzinger, U., Azhar, M., Van de Geest, J. P. Adaptation of a planar microbiaxial optomechanical device for the tubular biaxial microstructural and macroscopic characterization of small vascular tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 133 (7), 075001 (2011).
- Brown, T. D. Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro: A review. Journal of Biomechanics. 33 (1), 3-14 (2000).
- . Zaber Console software download Available from: https://www.zaber.com/zaber-software (2018)
- King, J. D., York, S. L., Saunders, M. M. Design, fabrication and characterization of a pure uniaxial microloading system for biologic testing. Medical Engineering and Physics. 38 (4), 411-416 (2016).
- Saunders, M. M., Donahue, H. J. Development of a cost-effective loading machine for biomechanical evaluation of mouse transgenic models. Medical Engineering and Physics. 26 (7), 595-603 (2004).
