Anvendelse af designaspekter i enakset lastning maskine udvikling
Summary
Her præsenterer vi en protokol for at udvikle en ren enakset lastning maskine. Kritiske designaspekter er ansat til at sikre nøjagtige og reproducerbare test resultater.
Abstract
I form af nøjagtige og præcise mekanisk testning, kører maskiner kontinuum. Kommercielle platforme tilbyde fremragende nøjagtighed, kan de være cost-uoverkommelige, ofte prismærket i $100.000 – $200.000 prisklasse. Den anden yderlighed er enkeltstående manuelle enheder der ofte mangler repeterbarhed og nøjagtighed (fx, en manuel krank enhed). Hvis en enkelt brug er angivet, er det imidlertid over engineering design og maskine noget overdrevent uddybe. Nonetheless, der er gange hvor maskiner er designet og bygget huset for at udføre en bevægelse ikke opnås med de eksisterende maskiner i laboratoriet. Beskrevet i detaljer her er en sådan anordning. Det er en belastning platform, der giver ren enakset lastning. Standard lastning maskiner er typisk biaksiale lineær loading forekommer langs aksen og roterende lastning opstår omkring aksen. Under testen med disse maskiner, anvendes en belastning til den ene ende af modellen, mens anden enden er fortsat fast. Disse systemer er ikke i stand til at gennemføre ren aksial test hvor spændinger/kompression anvendes lige så at modellen ender. Platform udviklet i denne hvidbog giver lige og modsat ladning af prøver. Mens det kan bruges til komprimering, indlæses her fokus på dens brug i ren trækstyrke. Enheden indeholder kommercielle vejeceller og aktuatorer (movers), og som det er tilfældet med maskiner bygget huset, et billede er bearbejdet for at holde den kommercielle dele og inventar til test.
Introduction
Mekaniske test har en interessant historie, der kan spores tilbage til hårdhedsmåling udstyr udviklet af Stanley Rockwell i de tidlige i det tyvende århundrede. Mens teknologi er vokset at standard, dokumenterede praksis guide alt fra kontrol af maskinen ydeevne til retningslinjer for at udføre specifikke test1,2,3, 4. dag, mekanisk tests udføres på alt fra byggematerialer som beton, stål og træ til mad og tekstil produkter5,6,7,8,9 . Eftersom der inden for Biomedicinsk teknik, og mere specifikt biomekanik udnytte mekanisk testning, er lastning maskiner hverdagskost i biomekanik labs.
Lastning maskiner køre vifte af skalaen i biomekanik. Som et eksempel, kan større lastning maskiner bruges til at gennemføre konsekvensanalyser for hele kroppen eller bestemme menneskers femoral mekaniske egenskaber, mens mindre lastning maskiner kan bruges til at teste murine knogler eller stimulere cellerne10,11, 12,13,14. To typer af lastning maskiner findes i laboratorier; dem, der er købt kommercielt og dem, der er bygget af brugeren. Lastning maskiner udviklet in-house er ofte foretrukket for deres personliggørelse og tilpasning muligheder15.
I test, er modellen sikret i maskinen så at en forskydning kan anvendes, generere en målbar styrke. Hvis belastningen er brugt som den drivende feedback, er testen belastning-kontrolleret; Hvis fordrivelse bruges som den drivende feedback, er testen forskydning-kontrolleret. Indlæsning af maskiner, i almindelighed, er bygget på en ramme, der forbinder en mover til en fast støtte. Som sådan indebærer test generelt ene ende af prøven flyttes, mens anden enden er stadig fast.
Vist i figur 1 er en skitse af en simpel lastning maskine viser sin grundlæggende komponenter. Grundlæggende for alle lastning maskiner er en base eller ramme. Der henviser til, at størstedelen af de kommercielle mærker udnytte en fast base, forestiller tegningen en platform, der giver mulighed for planar (XY) bevægelse. Mover, i dette tilfælde er overarmen, der holder en vejecelle og drives af en motor, stepper. Fastgjort til rammen er de kampe, som holder prøveemnet og diktere typen test, der køres. Vist i tegningen er tre-punkts bøje inventar. Top armaturet (kvikskranker) er monteret på den bevægelige arm; bunden armaturet (dobbelt kontaktpersonen) er monteret på den stationære base. Under testen kører motoren øverste armaturet nedad til hvor center kontakt engagerer modellen. Som kontakten engagerer modellen, registrerer vejecelle stigningen i modstand eller kraft pålagt modellen.
Der er gange hvor maskiner er designet og bygget huset for at udføre en bevægelse ikke opnås med de eksisterende maskiner i laboratoriet. Her beskriver vi i detaljer en sådan anordning. Det er en belastning platform, der giver ren enakset modellen lastning eller lige og modsatte bevægelse i begge ender. Enheden indeholder kommercielle vejeceller og aktuatorer (movers); et billede er bearbejdet for at holde den kommercielle dele og lastning inventar til modellen test. Forstå de grundlæggende principper for afprøvning af særlige maskinkonstruktioner kan hjælpe i udformningen af ens egen maskine. Vi har givet de tegningsfiler vi skabt som et udgangspunkt for at hjælpe forskere med deres egen maskine udvikling. Videoen vil fokusere på samlingen af enheden og anvendelse af mekaniske designprincipper for justering og pålidelig test.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet med dette arbejde var at designe og fabrikere en omkostningseffektiv og pålidelig enakset loader til brug med små enheder som væv og fibre. En enhed blev bygget der mødte krav samtidig være fleksibel nok i designet til at tillade nye vedhæftede filer at blive fremstillet som brugeren behov vokser. For eksempel, enheden vil give mulighed for afprøvning af tørre og våde prøver i et enakset eller fast-end konfiguration.
Kritiske trin i design og fabrikation af en læsning enhed o…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af den nationale institutter sundhed 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).
