Summary
Questo lavoro presenta un sensore di misurazione della deformazione costituito da un meccanismo di amplificazione e un microscopio polidimetilsiloxane prodotto utilizzando una stampante 3D migliorata.
Abstract
Un sensore di misurazione della deformazione tradizionale deve essere elettrificato ed è suscettibile di interferenze elettromagnetiche. Per risolvere le fluttuazioni del segnale elettrico analogico in un'operazione di misuratore di deformazione tradizionale, viene presentato un nuovo metodo di misurazione della deformazione. Utilizza una tecnica fotografica per visualizzare il cambiamento di deformazione amplificando il cambiamento di spostamento del puntatore del meccanismo. Un obiettivo polidimetilsiloxane visivo (PDMS) con una lunghezza focale di 7,16 mm è stato aggiunto a una fotocamera per smartphone per generare un gruppo di lenti che funge da microscopio per catturare le immagini. Aveva una lunghezza focale equivalente di 5,74 mm. acrylonitrile butadiene (ABS) e amplificatori in nylon sono stati utilizzati per testare l'influenza di diversi materiali sulle prestazioni del sensore. La produzione degli amplificatori e dell'obiettivo PDMS si basa su una migliore tecnologia di stampa 3D. I dati ottenuti sono stati confrontati con i risultati dell'analisi degli elementi finiti (FEA) per verificarne la validità. La sensibilità dell'amplificatore ABS è stata di 36,03 x 1,34 gradi, e la sensibilità dell'amplificatore in nylon è stata di 36,55 gradi, 0,53 gradi.
Introduction
Ottenere materiali leggeri ma forti è particolarmente importante nell'industria moderna. Le proprietà dei materiali sono influenzate quando sottoposte a sollecitazione, pressione, torsione e vibrazione di piegatura durante l'uso1,2. Pertanto, la misurazione della deformazione dei materiali è importante per analizzarne la durata e risolvere i problemi di utilizzo. Tali misurazioni consentono agli ingegneri di analizzare la durata dei materiali e risolvere i problemi di produzione. Il metodo di misurazione della deformazione più comune nell'industria utilizza sensori di deformazione3. I sensori di lamina tradizionali sono ampiamente utilizzati a causa del loro basso costo e della buona affidabilità4. Misurano i cambiamenti nei segnali elettrici e li convertono in diversi segnali di uscita5,6. Tuttavia, questo metodo esclude i dettagli del profilo di deformazione nell'oggetto misurato ed è suscettibile al rumore dovuto all'interferenza elettromagnetica vibrazionale con i segnali analogici. Lo sviluppo di metodi di misurazione accurati, altamente ripetibili e facili da deformazione dei materiali è importante in ingegneria. Così, altri metodi sono in fase di studio.
Negli ultimi anni, i nanomateriali hanno attirato molto interesse dagli investigatori. Per misurare la varietà su piccoli oggetti, Osborn et al.7,8 ha proposto un metodo per misurare la varietà di nanomateriali 3D utilizzando il backscatter elettronico (EBSD). Utilizzando la dinamica molecolare, Lina e t al.9 hanno studiato l'ingegneria della deformazione di attrito interstrato del grafene. Le misurazioni distribuite della deformazione in fibra ottica mediante la spettroscopia backscatter (RBS) di Rayleigh sono state ampiamente utilizzate nel rilevamento dei guasti e per la valutazione dei dispositivi ottici a causa della loro elevata risoluzione spaziale e sensibilità10. Grattugiare la fibra ottica (FBG)11,12 sensori di deformazione distribuiti sono stati ampiamente utilizzati per la misurazione della deformazione ad alta precisione13 per la loro sensibilità alla temperatura e alla deformazione. Al fine di monitorare i cambiamenti di tensione causati dalla polimerità dopo l'iniezione di resina, Sanchez et al.14 ha incorporato un sensore in fibra di carbonio fibra ottica in una piastra di fibra di carbonio epossidica e ha misurato il processo di deformazione completo. Il contrasto di interferenza differenziale (DIC) è un potente metodo di misurazione della deformazione di campo15,16,17 che è ampiamente utilizzato anche18. Confrontando i cambiamenti dei livelli di grigio di superficie misurati nelle immagini raccolte, la deformazione viene analizzata e la deformazione calcolata. Il19 ha proposto un metodo che si basa sull'introduzione di particelle rinforzate e immagini DIC per evolvere dal DIC tradizionale. Vogel e Lee20 hanno calcolato i valori di deformazione utilizzando un metodo automatico a due visualizzazioni. Negli ultimi anni, ciò ha permesso l'osservazione simultanea della microstruttura e la misurazione della deformazione nei compositi rinforzati con particelle. I sensori di deformazione tradizionali misurano in modo efficace la deformazione in una direzione. Il sistema di deformazione flessibile e di tipo21 ha proposto un sensore di deformazione flessibile omnidirezionale che migliora un metodo tradizionale di misuratore di deformazione rilevando i cambiamenti nella resistenza del sensore. È anche possibile misurare la deformazione utilizzando sostanze biologiche o chimiche. Ad esempio, gli idrogel conduttivi ionici sono un'alternativa efficace ai sensori di deformazione/tattile a causa delle loro buone proprietà di tensione e dell'alta sensibilità22,23. Il grafene e i suoi compositi hanno eccellenti proprietà meccaniche e forniscono un'elevata mobilità portante insieme a una buona piezoresistivity24,25,26. Di conseguenza, i sensori di deformazione a base di grafene sono stati ampiamente utilizzati nel monitoraggio elettronico della salute della pelle, nell'elettronica indossabile e in altri campi27,28.
In questo lavoro, viene presentata una misurazione concettuale della deformazione utilizzando un microscopio polidimetilsiloxanano (PDMS) e un sistema di amplificazione. Il dispositivo è diverso da un misuratore di deformazione tradizionale perché non richiede fili o connessioni elettriche. Inoltre, lo spostamento può essere osservato direttamente. Il meccanismo di amplificazione può essere posizionato in qualsiasi posizione sull'oggetto testato, aumentando notevolmente la ripetibilità delle misurazioni. In questo studio, un sensore e un amplificatore di deformazione sono stati realizzati dalla tecnologia di stampa 3D. Abbiamo prima migliorato la stampante 3D per aumentarne l'efficienza in base alle nostre esigenze. Un dispositivo di estrusione sferica è stato progettato per sostituire il tradizionale estrusore monomateriale controllato dal software di affettatura per completare la conversione degli ugelli metallici e plastici. La piattaforma di stampaggio corrispondente è stata modificata e il dispositivo di rilevamento dello spostamento (amplificatore) e il dispositivo di lettura (microscopio PDMS) sono stati integrati.
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Protocol
1. Assemblaggio del meccanismo di amplificazione
- Costruire una piattaforma sperimentale che include una stampante 3D migliorata, un indicatore di misuratore di deformazione, un dispositivo di guida, un telaio di supporto, una barra di alluminio, un obiettivo PDMS, uno smartphone, pesi, un amplificatore stampato (Figura supplementare 1), e un misuratore di deformazione, come mostrato Figura 1.
- Impostare l'altezza di ogni strato nella stampante a 0,05 mm per il nylon e 0,2 mm per ABS. Impostare il diametro della testina di stampa su 0,2 mm in entrambi i casi. Impostare la temperatura dell'ugello a 220 gradi centigradi per il nylon e a 100 gradi centigradi per l'ABS. Infine, impostare la velocità di stampa a 2.000 mm/min per il nylon e a 3.500 mm/min per ABS.
- Regolare l'orientamento della testa di estrusione sferica in modo che l'ugello metallico si trovi di fronte alla piattaforma a bassa temperatura e stampare un contorno per garantire una normale estrusione, come illustrato nella Figura 2.
- Appendere il nylon e l'ABS sulla colonna. Il front-end deve entrare nel contenitore della bobina di stampa per essere fuso dall'ugello metallico.
2. Montaggio del microscopio PDMS
- Utilizzando un agitatore magnetico, mescolare il precursore PDMS e l'agente di polimerità per ottenere un rapporto di peso di 10:1.
- Mettere il composto nel degasser per 40 min per rimuovere le bolle e versare la miscela degassata nel contenitore PDMS della testa di estrusione sferica.
- Ruotare la testa di estrusione sferica e la piattaforma in modo che l'ugello di plastica si affaccia sulla piattaforma ad alta temperatura.
- Impostare l'incremento dell'ugello di plastica a 50.
- Accendere la piastra calda per riscaldare la piattaforma ad alta temperatura. La temperatura della piattaforma è controllata da un termometro a radiazione infrarossa senza contatto.
NOTA: Questo studio ha testato temperature di 140 gradi centigradi, 160 gradi centigradi, 180 gradi centigradi, 200 gradi centigradi, 220 e 240 gradi centigradi. - Spremere il contenitore PDMS per stampare l'obiettivo PDMS.
- Raffreddare l'obiettivo PDMS a temperatura ambiente e rimuoverlo con una pinzetta di gomma.
- Determinare i parametri geometrici dell'obiettivo, inclusi l'angolo di contatto, il raggio di curvatura e il diametro delle goccioline, utilizzando un analizzatore di forme tridimensionale.
3. Misurazione della deformazione per le prove di carico nei gruppi di controllo e test
- Utilizzare una barra in alluminio 6063 T83 come il fascio a sbalzo. La lunghezza, la larghezza e lo spessore del fascio a sbalzo devono essere rispettivamente 380 mm x 51 mm x 3,8 mm. Fissare un'estremità al tavolo operatorio con bulloni e dadi.
- Disegnare una croce al centro e 160 mm dall'estremità libera del fascio a sbalzo.
- Per rimuovere lo strato di ossido sul fascio a sbalzo, lucidare la sua superficie con carta vetrata fine prima di incollare. La direzione di molatura deve essere di circa 45 gradi dalla direzione della griglia di filo del misuratore di deformazione. Utilizzare cotone idrofilo imbevuto di acetone per pulire la superficie del fascio a sbalzo e la superficie della pasta di misuratore di deformazione.
- Collegare il dispositivo di guida e l'indicatore del misuratore di deformazione. Accendere l'alimentazione. Utilizzare un misuratore di deformazione montato sulla superficie centrale della barra di alluminio all'estremità fissa per misurare i cambiamenti di deformazione.
- Fissare il peso standard all'estremità libera del fascio a sbalzo per controllare l'ingresso della forza concentrata. Leggere i dati utilizzando un indicatore di misuratore di deformazione convenzionale con un metodo di connessione a un quarto di ponte.
- Sostituire l'indicatore di deformazione con gli amplificatori ABS e nylon nella stessa posizione.
- Fissare l'obiettivo PDMS sulla fotocamera dello smartphone con un sensore da 8 megapixel a una distanza di messa a fuoco di 29 mm. Regolare la lunghezza focale della fotocamera fino a ottenere un'immagine chiara. Leggere lo spostamento del puntatore utilizzando il microscopio PDMS.
- Ripetere i passaggi 3.5 e 3.6, impostando ogni volta il carico su 1 N, 2 N, 3 N, 4 N e 5 N.
4. Analisi degli elementi finiti
- Stabilire modelli di elementi finiti 3D delle parti nylon e ABS per la misurazione della deformazione (vedere Tabella dei materiali per il software utilizzato). Importare il fascio a sbalzo e il meccanismo di amplificazione nella libreria dei materiali del software e simularne le posizioni di posizionamento.
- Analizzare le proprietà meccaniche del puntatore del meccanismo di amplificazione sotto l'azione di un fascio a sbalzo.
- Generare maglie da utilizzare in modelli geometrici 3D utilizzando elementi tetraedriconi con una dimensione fine dell'elemento. Perfezionare le cerniere di flessione, in particolare la cerniera tra il puntatore e gli altri corpi.
NOTA: Il giovane di elasticità utilizzato per l'alluminio moduli, nylon, e ABS erano 69 GPa, 2 GPa, e 2.3 GPa, rispettivamente. I rapporti di Poisson utilizzati per alluminio, nylon e ABS erano rispettivamente 0,33, 0,44 e 0,394. - Applicare una forza concentrata di 1 N al centro dell'estremità libera del fascio a sbalzo. Ripetere con 2 N, 3 N, 4 N e 5 N.
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Representative Results
Quando la temperatura della piattaforma aumentava, il diametro delle goccioline e il raggio di curvatura diminuivano, mentre l'angolo di contatto aumentava (Figura 3). Pertanto, la lunghezza focale del PDMS è aumentata. Tuttavia, per le temperature della piattaforma superiori a 220 gradi centigradi, è stato osservato un tempo di stagionatura molto breve nelle goccioline, e non hanno potuto estendersi in una forma piana-convessa. Questo può essere attribuito all'area di fissaggio basso quando si aderisce a una fotocamera dello smartphone. Pertanto, solo le lenti morbide formate a 220 gradi centigradi sono state utilizzate come lente di ingrandimento in tutti i test. La lunghezza focale dell'obiettivo PDMS era di 7,16 mm per una potenza ottica di 140 m-1. Il diametro delle goccioline era di 2,831 mm e l'angolo massimo del cono era di 46,68 gradi, che produceva un'apertura numerica (NA) di circa 0,40, vicino a un ingrandimento di 20x. La lunghezza focale del gruppo di lenti può essere calcolata come f1 - f2 / (f1 - f2 - s), dove f1 è la lunghezza focale dell'obiettivo PDMS, f2 è la lunghezza focale dell'obiettivo della fotocamera e s è la distanza tra di loro. Supponendo che s sia 0, la distanza di messa a fuoco effettiva del microscopio PDMS era di 5,74 mm.
La calibrazione tra il gruppo di controllo e il gruppo di test è stata eseguita utilizzando la sensibilità di misurazione K, espressa come K , o /olp, dove s è la deformazione ottenuta dall'indicatore di deformazione elp è l'output del puntatore. La figura 4A mostra il confronto della misurazione sperimentale dello spostamento con le simulazioni FEA per il nylon. Le piste sperimentali e FEA variavano da 0,027-0,097 (2,74% -9,36%). La figura 4B mostra le discrepanze minime e massime tra le pendici per ABS di 0,026 e 0,07 (3,85% e 9,94%). La figura 5 mostra K per il nylon e l'ABS. Lo studio ha rilevato che Knylon è stato fatto innylon: 36,55 x 0,53 gradi e KABS, 36,03 x 1,34 gradi.
Figura 1: configurazione di test sperimentale, tra cui la stampante 3D migliorata, un indicatore di misuratore di deformazione, un dispositivo di guida, un telaio di supporto, una barra di alluminio, un obiettivo PDMS, uno smartphone, pesi, un amplificatore stampato e un misuratore di deformazione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Dettagli della stampante 3D solido-liquido a due fasi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Diametro gocciolamento, raggio di curvatura e angolo di contatto dell'obiettivo PDMS a temperature diverse. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Relazioni tra lo spostamento del puntatore e le diverse forze concentrate rispettivamente per il nylon e l'ABS. Con gli stessi parametri della stampante 3D migliorata, sono stati stampati cinque amplificatori in nylon (a-e) e cinque amplificatori ABS (a-e). Il test per ogni gruppo è stato ripetuto dieci volte. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Correlazione tra lo spostamento e il ceppo per nylon e ABS. Le lettere a-e rappresentano i cinque campioni per ogni materiale. La sensibilità K di nylon e di ABS è stata ottenuta calcolando la media delle cinque pendenze. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
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Discussion
Lo spostamento dell'uscita si è evoluto linearmente con la forza concentrata all'estremità libera del fascio a sbalzo ed è stato coerente con le simulazioni FEA. La sensibilità degli amplificatori è stata di 36,55 s 0,53 s/m per il nylon e di 36,03 gradi per l'ABS. La sensibilità stabile ha confermato la fattibilità e l'efficacia della rapida prototipazione di sensori ad alta precisione utilizzando la stampa 3D. Gli amplificatori avevano un'alta sensibilità ed erano privi di interferenze elettromagnetiche. Inoltre, avevano una struttura semplice, un piccolo volume e un peso ridotto. Materiali diversi devono essere impostati in modo diverso nel processo di stampa in base a più variabili, tra cui lo spessore del livello, il diametro dell'ugello e la velocità di avanzamento. I valori specifici devono essere combinati con diversi parametri della stampante e vengono determinati dopo ripetute operazioni di debug. Questo metodo di produzione flessibile consente di modificare istantaneamente il materiale e le dimensioni in base alle condizioni di lavoro effettive. Questo può aumentare le prestazioni aggiungendo isolamento elettrico e rendendolo a prova di esplosione. Consente la miniaturizzazione, la produzione personalizzata e l'uso di sensori di spostamento ad alta precisione.
Per ottenere un'istantanea macro da 5,74 mm, il gruppo di lenti consisteva in un obiettivo PDMS e da una fotocamera per smartphone. I parametri di base che influenzano la qualità ottica della formazione dell'obiettivo PDMS, tra cui il diametro della superficie di contatto, il raggio di curvatura e l'angolo di contatto, sono stati determinati dalla temperatura della piattaforma di produzione e dal volume della soluzione per un altezza di caduta costante. La temperatura è stata controllata con precisione da una piastra calda e termometri a infrarossi senza contatto. Il volume della soluzione era di 50 l per goccia attraverso l'ugello di plastica. La fotocamera doveva essere asciugata con alcool per rimuovere impurità come la polvere per garantire che l'obiettivo PDMS aderisse da vicino per aumentare il tempo combinato e la nitidezza. Regolando i parametri degli strumenti e le soluzioni utilizzate, il sistema può essere adattato per varie micromisurazioni senza contatto in vari campi.
La rapida produzione del sensore è stata ottenuta utilizzando la struttura a due cavità della testa di estrusione sferica e la formazione di una macchina di un materiale solido-liquido a due fasi. Il contenitore della bobina di stampa è stato utilizzato per introdurre un filo solido, e l'amplificatore è stato stampato dalla fusione a caldo dell'ugello metallico. Il contenitore PDMS era costituito da un materiale morbido e conteneva una soluzione PDMS mista. La soluzione è stata spremuta con precisione dall'ugello di plastica. Questa tecnologia può essere applicata anche alla produzione di materiali strutturali della microsfera in vari campi, tra cui l'elettronica, i biofarmaceutici, l'energia e i settori della difesa.
Questo lavoro ha dimostrato un sistema di misurazione della deformazione in tempo reale con un amplificatore, una lente PDMS e uno smartphone in grado di sostituire il tradizionale metodo di prova complesso deformazione-deformazione-misuratore-ponte. Inoltre, viene mostrata una stampante 3D a liquido solido in due fasi con alta precisione, basso costo e una rapida produzione ripetitiva. Durante la stampa solida, lo spessore dello strato di nylon è stato impostato su 0,05 mm, la temperatura dell'ugello era di 220 gradi centigradi, la velocità di stampa era di 2.000 mm/min. Lo spessore dello strato ABS era di 0,2 mm, la temperatura dell'ugello era di 100 gradi centigradi e la velocità di stampa era di 3.500 mm/min. I parametri di stampa devono essere combinati con la velocità di fusione del materiale intrinseca, la temperatura e la viscoelasticità per ottenere le migliori prestazioni di stampa; anche la precisione del livello della stampante, la gamma di alimentazione e la velocità di stampa devono essere considerate. Durante la stampa liquida, il PDMS doveva avere un rapporto di peso di 10:1 della soluzione precursore e dell'agente di polimerità e l'altezza della goccia appesa era fissata a 20 mm, che controllava la velocità di stampaggio dell'obiettivo per 60 s. La piattaforma ad alta temperatura era fatta di vetro e la sua temperatura era controllata da una piastra calda e da un termometro a radiazione infrarossa senza contatto. I parametri geometrici della lente variavano notevolmente con le temperature di superficie testate (140 gradi centigradi, 160 gradi centigradi, 180 gradi centigradi, 200 gradi centigradi, 220 gradi centigradi e 240 gradi centigradi). Le proprietà ottiche dell'obiettivo PDMS modellato a 220 gradi centigradi con 50 gradi di soluzione hanno prodotto i migliori risultati nel sistema di misurazione progettato. È possibile produrre lenti personalizzate con diverse proprietà e dimensioni ottiche regolando il rapporto di soluzione, il volume, la temperatura di stampaggio e l'altezza di sospensione. L'ampia gamma di applicazioni relative alla deformazione della microstruttura che possono essere misurate con questo metodo è destinata ad aumentare.
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Disclosures
Gli autori non dichiarano interessi contrastanti.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalla National Science Foundation of China (Grant n. 51805009).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| Aluminum 6063 T83 bar | The length, width and thickness of cantilever beam are 380 mm, 51 mm, and 3.8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing softare,using with the improved 3D printer |
| Curing agent | Dow Corning | PDMS and curing agent are mixed with the weight ratio of 10:1 | |
| Driving device | Xinmingtian | E00 | |
| Improved 3D printer and accessories | Made by myself. The rotary spherical lifting platform is adopted. The spherical lifting platform is equipped with a nozzle and a pipette, which can be switched and printed freely. With a rotary printing platform, the platform temperature can be freely controlled. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 8-megapixel sensor and the equivalent focus distance is 29mm |
| Magenetic stirrer | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | After the viscous mixture is heated and hardened, it can be combined with the lens amplification device of the mobile phone for image acquisition. |
| Shape analyzer | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Assist to modelling |
| VISHAY strain gauge | Vishay | Used to measure the strain produced in the experiment. | |
| VISHAY strain gauge indicator | Vishay | Strain data acquisition. |
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