Summary
Bu çalışma, görselleştirilmiş deneysel süreçler sağlayan malzeme deformasyonu ve arızası için üç boyutlu bir sanal simülasyon deneyi sunmaktadır. Bir dizi deney sayesinde, kullanıcılar ekipmana aşina olabilir ve işlemleri sürükleyici ve etkileşimli bir öğrenme ortamında öğrenebilirler.
Abstract
Bu çalışma, malzeme deformasyonunu ve arızasını tespit etmek için bir dizi kapsamlı sanal deney sunmaktadır. Metalografik kesme makinesi ve yüksek sıcaklıktaki üniversal sürünme test makinesi gibi mekanik ve malzeme disiplinlerinde en yaygın kullanılan ekipman parçaları, kullanıcılara sürükleyici ve etkileşimli bir öğrenme ortamında farklı deneysel hizmetler sunmak için web tabanlı bir sisteme entegre edilmiştir. Bu çalışmadaki protokol, malzemelerin hazırlanması, numunenin kalıplanması, numune karakterizasyonu, numune yükleme, nanoindenter kurulumu ve SEM in situ deneyleri olmak üzere beş alt bölüme ayrılmıştır ve bu protokol, kullanıcılara farklı ekipmanların ve ilgili işlemlerin tanınması ve laboratuvar bilincinin artırılması konusunda bir fırsat sunmayı amaçlamaktadır. vb., sanal bir simülasyon yaklaşımı kullanarak. Deney için net bir rehberlik sağlamak amacıyla sistem, bir sonraki adımda kullanılacak ekipmanı/numuneyi vurgular ve ekipmana giden yolu belirgin bir okla işaretler. Uygulamalı deneyi mümkün olduğunca yakından taklit etmek için üç boyutlu bir laboratuvar odası, ekipman, operasyon ve deneysel prosedürler tasarladık ve geliştirdik. Ayrıca, sanal sistem deney sırasında kimyasalları kullanmadan önce etkileşimli egzersizleri ve kayıtları da dikkate alır. Yanlış işlemlere de izin verilir, bu da kullanıcıyı bilgilendiren bir uyarı mesajıyla sonuçlanır. Sistem, kullanıcılara farklı seviyelerde etkileşimli ve görselleştirilmiş deneyler sağlayabilir.
Introduction
Mekanik, matematiksel mekaniğin ve teorik bilginin temeline verilen önem ve öğrencilerin pratik yeteneklerinin geliştirilmesine verilen önemin gösterdiği gibi, mühendislikteki temel disiplinlerden biridir. Modern bilim ve teknolojinin hızla ilerlemesiyle, nanobilim ve teknolojinin insan hayatı ve ekonomi üzerinde büyük bir etkisi olmuştur. ABD Ulusal Bilim Vakfı'nın (NSF) eski direktörü Rita Colwell, 2002 yılında nano ölçekli teknolojinin Sanayi Devrimi1'e eşit bir etkiye sahip olacağını açıklamış ve nanoteknolojinin gerçekten yeni bir dünyaya açılan bir portal olduğunu belirtmişti2. Nano ölçekte malzemelerin mekanik özellikleri, nano cihazlar 3,4,5 gibi yüksek teknoloji uygulamalarının geliştirilmesi için en temel ve gerekli faktörlerden biridir. Malzemelerin nano ölçekte mekanik davranışları ve stres altındaki yapısal evrim, mevcut nanomekanik araştırmalarda önemli konular haline gelmiştir.
Son yıllarda, nanogirinti teknolojisinin, elektron mikroskobu teknolojisinin, tarama probu mikroskobunun vb. geliştirilmesi ve iyileştirilmesi, "yerinde mekanik" deneylerini nanomekanik araştırmalarında önemli olan ileri bir test tekniği haline getirmiştir 6,7. Açıkçası, öğretim ve bilimsel araştırma perspektifinden, mekanik deneylerle ilgili geleneksel öğretim içeriğine sınır deneysel teknikleri sokmak gerekir.
Bununla birlikte, mikroskobik mekaniğin deneyleri, makroskobik temel mekanik deneylerinden önemli ölçüde farklıdır. Bir yandan, ilgili araç ve gereçler hemen hemen tüm kolej ve üniversitelerde yaygınlaşmış olmasına rağmen, yüksek fiyat ve bakım maliyeti nedeniyle sayıları sınırlıdır. Kısa vadede, çevrimdışı öğretim için yeterli ekipman satın almak mümkün değildir. Finansal kaynaklar olsa bile, çevrimdışı deneylerin yönetim ve bakım maliyetleri çok yüksektir, çünkü bu tür ekipmanlar yüksek hassasiyetli özelliklere sahiptir.
Öte yandan, taramalı elektron mikroskobu (SEM) gibi yerinde mekanik deneyler, yüksek operasyonel gereksinimler ve son derece uzun bir deney süresi ile çok kapsamlıdır 8,9. Çevrimdışı deneyler, öğrencilerin uzun süre yüksek oranda odaklanmalarını gerektirir ve yanlış kullanım cihaza zarar verebilir. Çok yetenekli bireylerle bile, başarılı bir deneyin tamamlanması, nitelikli örneklerin hazırlanmasından in situ mekanik deneyler için numunelerin yüklenmesine kadar birkaç gün gerektirir. Bu nedenle, çevrimdışı deneysel öğretimin verimliliği son derece düşüktür.
Yukarıdaki sorunları ele almak için sanal simülasyon kullanılabilir. Sanal simülasyon deneyi öğretiminin geliştirilmesi, yerinde mekanik deney ekipmanının maliyet ve miktar darboğazını ele alabilir ve böylece öğrencilerin yüksek teknoloji ürünü aletlere zarar vermeden çeşitli gelişmiş ekipman parçalarını kolayca kullanmalarını sağlayabilir. Simülasyon deney öğretimi ayrıca öğrencilerin sanal simülasyon deney platformuna internet üzerinden her zaman ve her yerden erişmelerini sağlar. Bazı düşük maliyetli enstrümanlar için bile, öğrenciler sanal enstrümanları eğitim ve uygulama için önceden kullanabilirler, bu da öğretim verimliliğini artırabilir.
Web tabanlı sistemlerin erişilebilirliği ve kullanılabilirliği göz önüne alındığında10, bu çalışmada, yerinde mekanik deneyine odaklanarak, mekanik ve malzemelerdeki temel işlemlerle ilgili bir dizi deney sağlayabilen web tabanlı bir sanal simülasyon deney sistemi sunuyoruz.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Bu çalışmada, http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd yoluyla serbest erişime açık olan mikrokonsol kiriş kırığı deneyinin çatlakları aşağıdaki gibi ele alınmıştır. Tüm adımlar online sistemde sanal simülasyon yaklaşımına dayalı olarak yürütülmektedir. Bu çalışma için Kurumsal Değerlendirme Kurulu onayı gerekmemiştir. Bu çalışmaya katılan gönüllü öğrencilerden onam alınmıştır.
1. Sisteme erişim ve arayüze girme
- Bir web tarayıcısı açın ve sisteme erişmek için http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd URL'yi girin.
NOT: Sağlanan URL'ye kullanıcı adı ve parola olmadan ana akım bir web tarayıcısı üzerinden erişilebilir. - Dikey kaydırma çubuğunu kullanarak sanal simülasyon arayüzünü bulun.
NOT: Sanal sahne web'e gömülüdür. - Tam ekran arayüzünü etkinleştirmek için sağ alt köşedeki Tam Ekran simgesine tıklayın.
- Başlamak için Denemeyi Başlat düğmesine tıklayın.
- Yeni başlayanlar için rehberliği takip etmek için Enter düğmesine tıklayın veya bu adımı atlamak için Atla düğmesine tıklayın.
NOT: Kullanıcı takip etmeyi (Enter düğmesi) veya atlamayı (Atla düğmesi) seçebilir. Yeni başlayanlar için rehberlik, tüm sistemin açıklamalarını sağlar. Arayüz ayrıca, amaçlanan işlemleri veya ekipmanı gerçekleştirmek için kullanım talimatlarını adım adım vurgular. Şekil 1 , mekanik ve malzeme disiplinlerinde yedi tip ekipman da dahil olmak üzere deneyde kullanılan ekipmanı göstermektedir. Yeni başlayanların bu kılavuzu izlemeleri önerilir.
2. Malzemelerin hazırlanması
- Başlangıç seviyesindeki eğitimi tamamladıktan sonra denemeye başlayın. Silikon gofretleri içeren laboratuvar masasına "yaklaşmak" için arayüzdeki istemleri izleyin, normal tip ve çatlak tipi silikon gofretler arasındaki farkları gözden geçirin ve çatlak şablonunu seçin.
NOT: Deneme arayüzüne girin ve vurgulanan yol kılavuzuna göre denemeler yapın. Vurgulanan rehberlik, deneme için net bir rehberlik sunmak üzere süreç boyunca sağlanır. - Sağlanan malzemeler listesinden bir malzeme seçin.
NOT: Sağlanan malzeme listesi altın, gümüş, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polieter-eter-keton (PEEK) ve polimetil metakrilat (PMMA) içerir. - Seçilen malzemeyi, vurgulanan malzemeye tek bir tıklama ile kesici kelepçesine yükleyin. Kesici kelepçesini açmak için vurgulanan ON / OFF düğmesine (sağ tarafta) tıklayın, Hız düğmesine (sol tarafta) tıklayın ve metalografik kesme makinesinin hızını bir açılır arayüzde ayarlayın.
NOT: Kullanıcı istediği gibi uygun bir hız ayarlayabilir. Hız kullanıcı tarafından ayarlandıktan sonra, kesici kelepçe etkinleştirilecek ve ham çubuk ince dilimler halinde kesilecektir. - Kullanıcı arabiriminde kılavuz olarak vurgulanan nesneyi tıklatıp sürükleyerek kalıbı, metal levhayı ve kapak levhasını sırayla bir araya getirin.
NOT: Malzemeyi kestikten sonra, nano kalıp dökümünden önce bu montaj adımı gereklidir.
3. Numunenin kalıplanması
- Şekil 2'de gösterilen kılavuzu izleyerek yüksek sıcaklıktaki üniversal sünme test makinesine sanal olarak yürüyün ve istiflenmiş numuneleri üniversal sünme test makinesinin plaka kelepçeleri arasına sanal olarak yerleştirin.
NOT: Bu adımdan sonra, yüksek sıcaklık üniversal sünme test makinesinin sol tarafındaki sanal bilgisayar vurgulanacaktır. - Sanal Bilgisayar'a tıklayın ve evrensel sürünme test makinesinin kontrol bilgisayarında test şemasını ayarlayın.
NOT: Bu adımdan sonra, ısıtma ve vakum pompalama için yüksek sıcaklık üniversal sünme test makinesinin yardımcı ekipmanı, kullanıcıya rehberlik etmek için vurgulanacaktır. - Vurgulanan Isıtma ve Vakum Pompalama Ekipmanına tıklayın ve güç kaynağını açın. Vurgulanan düğmelere tıklayarak sanal mekanik pompayı ve destek vanasını arayüzde açın.
NOT: Bu adım, üniversal sünme test makinesinin vakum kontrol sistemindeki sistem vakum kontrol ayarlarını tamamlar. - Verileri temizlemek için evrensel sürünme test makinesinin Kontrol Panelindeki Temizle düğmesine tıklayın. Denemeyi tamamlamak için üniversal sürünme test makinesinin Kontrol Panelindeki Çalıştır düğmesine tıklayın, bu da paralel plaka sıkıştırma kalıplama yöntemini kullanarak kalıp üzerindeki deseni metal levhaya kopyalar.
NOT: Kalıp dökümü tamamlandıktan sonra, numuneyi çıkarın ve gerektiğinde sırayla düğmelere tıklayarak ısıtma ve vakum pompalama ekipmanının destek valfini ve mekanik pompasını vb. kapatın (gerçek ısıtma ve vakum pompalama ekipmanında, ters sıra moleküler pompanın yanmasına neden olabilir). - Sanal Bilgisayara tekrar tıklayın ve evrensel sürünme test makinesinin kontrol bilgisayarındaki deneysel verileri kontrol edin.
- Metalografik numune kakma makinesindeki kapak plakasını açın ve numuneyi yerleştirin.
- Hazırlanan tozu dökmek için vurgulanan PMMA tozuna tıklayın ve PMMA tozunun üzerine yerleştirmek için vurgulanan kalıba tıklayın.
- Kapak plakasını otomatik olarak kaplayacak olan kalıbın konumunu ayarlamak için vurgulanan el çarkına tıklayın. Kakma makinesini açmak için AÇIK/KAPALI düğmesine tıklayın. PMMA kakma örneğini soğuduktan sonra çıkarın.
NOT: Kalıplanmış numune, deneyde termoplastik malzeme PMMA'nın kullanıldığı Şekil 3'te gösterildiği gibi kakma makinesine doğru yönde monte edilmelidir. PMMA tozunun eridiğinden ve numunenin yüzeyine yapıştığından emin olun. Şekil 4'ün sol alt köşesi, kullanıcı Şekil 3'te gösterilen seçimi onayladıktan sonra doğru yönü göstermektedir.
- Şekil 5'te gösterildiği gibi, yol kılavuzunu izleyerek parlatma ve korozyon odasına girin. Vurgulanan parlatma makinesini bulun ve kakma örneğini tutucuya monte etmek için parlatma makinesinin tutucusuna tıklayın. Kalıplanmış malzeme substratını çıkarmak için numuneyi taşlama ve parlatma hızını ayarlayın.
NOT: Kalıbın bir tarafındaki kalıbı, kalıp üzerindeki desen açığa çıkana kadar taşlayın.
4. Numune karakterizasyonu
- Bir kimyasal kullanmadan önce e-deftere kaydolun. Kimyasal saklama dolabını açın ve katı KOH ve aseton çözeltisini çıkarın. Numuneyi temizlemek üzere aseton çözeltisini kullanmak için vurgulanan beherin üzerine tıklayın. % 10'luk bir KOH çözeltisi hazırlamak için korozyon sıvısı hazırlama için vurgulanmış başka bir beher ve katı KOH'ye tıklayın. Numuneyi metalografik bir numuneye paslandırmak için vurgulanan KOH çözeltisine ve numuneye tıklayın.
NOT: Bu deneyde, silikon kalıbı çıkarmak için genellikle 6 mol / L KOH çözeltisi hazırlanır, numune hazırlama çözeltisine yerleştirilir ve korozyon çözeltisini ve numuneyi içeren beher, korozyon hızını hızlandırmak için ısınmak üzere bir sıcak plaka üzerine yerleştirilir. - Silikon substratı çıkardıktan sonra numuneyi temizleyin ve hazırlanan numune ile optik mikroskop altında karakterize bir test yapın.
NOT: Taşlama ve korozyondan sonra numunenin bütünlüğünü belirlemeyi unutmayın.
5. Numune yükleme ve nanoindenter kurulumu
- Numuneyi nanoindenterin numune aşamasına yükleyin. Mikro ve nanomekanik test sisteminin sürücüsüne monte etmek için koni girintiyi seçin. Nanoindenter'a bağlamak için vurgulanan sürücüye tıklayın.
NOT: Girintiyi takarken "Pim" tahrik miline yerleştirilmelidir ve tahrik mili ince bir çubuk olduğundan, mandal, girintiyi dişli bir uçla tahrike vidalarken tahrik miline zarar vermekten kaçınır.
6. SEM in situ deneyi
- Nanoindenter'ın indenterini kurduktan ve numuneyi 5.1'de açıklandığı gibi yükledikten sonra SEM kontrol yazılımındaki Havalandırma düğmesine tıklayın.
- Vakumu kırdıktan sonra SEM odasını açın, nanoindenter'ı SEM numune aşamasına takın ve telleri bağlayın (Şekil 6 , tellerden birinin bağlanmasına bir örnek göstermektedir).
- Nanoindenter'ın kontrol yazılımını açın ve Loaded Indenter Range'i seçin > Deneysel Protokol'ü seçin > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization) öğesini seçin.
NOT: Nanoindenter numune aşamasının pozisyon başlatma işlemi, nanoindenter numune aşamasının başlatma işleminin SEM elektron çıkış portunun kutbuna çarpmasını önlemek için SEM boşluğunun açık olduğu durumda gerçekleştirilmelidir. - SEM odasını kapatın ve SEM kontrol yazılımındaki Pompa düğmesine tıklayın.
- Numune aşamasının konumunu, ölçülecek numunenin SEM görüş alanına düşecek şekilde ayarlamak için SEM kontrol yazılımındaki Yukarı veya Aşağı düğmesine tıklayın. Konumu düzeltmek için Tamam düğmesine tıklayın. Elektron tabancasını açmak için vurgulanan EHT düğmesine tıklayın. Kamera düğmesine tıklayın ve elektron mikroskobu gözlem moduna geçin.
NOT: Nanoindenter'ın girinticisi, ölçülecek numuneye kademeli olarak yaklaşmak için gözlem modunda kontrol edilmelidir. - Nanoindenter'ın kontrol yazılımındaki Çalıştır düğmesine tıklayın.
NOT: Deney sırasında, numunenin yüklenme işlemi sırasında deformasyon karakteristiklerinin ve arıza sürecinin gözlemlenip kaydedilmesi ve verilerin çizilmesi ve dışa aktarılması için deney tamamlandıktan sonra deneyin orijinal verilerinin veri analizi penceresinde açılması gerekmektedir. - Deneyi sonlandırmak için nanoindenter'ın kontrol yazılımındaki Durdur düğmesine tıklayın.
NOT: Sanal simülasyon deneyi burada sona ermektedir. Kullanıcıdan denemeden sonra sanal arayüzde çevrimiçi sınav alıştırmasını tamamlaması istenir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Sistem, kullanıcının işlemleri için net bir rehberlik sağlar. İlk olarak, bir kullanıcı sisteme girdiğinde başlangıç seviyesi eğitim entegre edilir. İkinci olarak, bir sonraki adımdaki operasyon için kullanılacak ekipman ve laboratuvar odası vurgulanır.
Sistem, farklı seviyelerdeki öğrenciler için birkaç farklı eğitim amacı için kullanılabilir. Örneğin, Şekil 1, mekanik ve malzeme disiplinlerinde en yaygın kullanılan ekipman türlerinden yedisini, yani metalografik kesme makinesini, yüksek sıcaklıktaki üniversal sürünme test makinesini, metalografik numune kakma makinesini, parlatma makinesini, optik mikroskopu, SEM'i ve mikro ve nano-mekanik test sistemini içerir. Yeni başlayanlar için kılavuzda, kullanıcı deneyde kullanılan tüm ekipmanların açıklamaları hakkında bilgi edinebilir. Daha sonra, deneyi tamamlamak için tüm ekipmanlar tek tek kullanılır. Öğrenciler, çalışma becerilerinde ustalaşana kadar tekrarlayan deneyler için ekipmanı seçebilirler.
Şekil 3 ve Şekil 4 ayrıca, sistemin deneysel işlemlerle birlikte deneysel şemanın tasarımını geliştirebileceğini ve bunun da anında doğrulama sağlayabileceğini göstermektedir. Şekil 3'te, kullanıcı kalıplanmış bir numune oluşturmak için numuneyi doğru yönde yerleştirmeyi seçmelidir. Şekil 4, Şekil 3'te gösterildiği gibi, kullanıcı seçimi onayladıktan sonra önceki adımın sonuçlarını (Şekil 4'ün sol alt köşesinde belirtildiği gibi) gösteren metalografik numune kakma makinesini kullanmak için arayüzü göstermektedir. Şekil 7, önceden ayarlanmış çatlaklara sahip mikro konsol kirişinin in situ mekanik deneysel sonuçlarını göstermektedir. Sonuçların analizi sayesinde, kullanıcı sonuçların nasıl elde edildiğini belirleyebilir.
Bu protokol, öğrencilerin paralel plakanın reolojik deneyinin yük boyutunu ve yükleme süresini, hazırlanacak numunenin uzunluk-çap oranına göre değerlendirmeleri gereken senaryoyu simüle eder. Deneycinin, silindirik bir delik kalıbına akan viskoz akışkanın uzunluk-çap oranının, p 0 basıncının ve sabit basınç p0 etkisi altında d çapına sahip t zamanının ilişkisini analiz etmesi gerekir. Bu ilişki aşağıda gösterilmiştir:
burada L uzunluktur, d silindirik delik kalıbının çapıdır, p0 sabit basınçtır, η malzeme viskozitesidir ve t yükleme süresidir. p0, η ve L/d verildikten sonra t hesaplanabilir. L / d iki katına çıkarsa, yükleme süresi öncekinden dört kat daha büyük olacaktır. Şekil 8, kalıp deliğine akan metal camın uzunluk-çap oranı ile zaman arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
Gerçek dünyadaki deneylerde, öğrencilerin genellikle bir deneme-yanılma yaklaşımı kullandıkları, yani gerekli örneklem yapılana kadar yük boyutunu veya yükleme süresini sürekli olarak ayarladıkları bulunmuştur. Bu protokolde, teorik bilgiyi doğrulamak için etkileşimli bir arayüz sağlanır ve yükleme süresi, sağlanan parametre değerlerine (malzeme viskozitesi, ilk numune boyutu ve yük boyutu) göre belirlenir. Yol gösterici bir soru şu şekilde verilmiştir: "Metal cam, kalıp döküm deney sıcaklığında viskozitesi η = 107 Pa · s olan bir Newton sıvısıdır. Sıvının kalıp temas sınırında kayması yoktur. Uzunluk-çap oranı 5 olan silindirik bir numune hazırlamak gerekir. Deney 100 MPa'lık büyük miktarda basınç uygulayabiliyorsa, yükleme süresi ne kadar olmalıdır? Uzunluk-çap oranı 1 kat artarsa, yükleme süresi kaç kat artar?" Öğrenciler cevapları bulmalı, test şemasını buna göre ayarlamalı ve ardından deneylerini yapmalıdır.
Deneyden sonra, öğrencilerden teorik bilgilerini ve deneylerini geliştirmek için sanal simülasyon deneyi sırasındaki kilit adımlara odaklanan boşluk doldurma soruları ve tek cevaplı / çok cevaplı çoktan seçmeli sorular (MCQ) gibi farklı türlerde birkaç soruyu cevaplamaları istenir. Tablo 1 , denemeden sonra çevrimiçi sınav alıştırması için soru örneklerini göstermektedir. Entegre alıştırmalarla, kullanıcılar deneyin tüm sürecini sistematik olarak gözden geçirebilir ve teoriyi deneyle ilişkilendirebilir.
Önerilen sanal simülasyonun uygulanmasıyla sunulan deney seti, aşağıdaki görselleştirilmiş ve etkileşimli bilgi ile geliştirilmiş ve beceri artırılmış deneyimlerin sağlanabileceği anlamına gelir: 1) kullanıcıların laboratuvar odalarının düzenini ve her bir ekipmanın ayrıntılarını "yürüyebileceği" ve anlayabileceği sürükleyici bir sanal öğrenme ortamı; 2) Çalışma becerilerine hakim olmak için mekanik ve malzeme disiplinlerinde farklı tipik ekipman parçaları üzerinde yapılan işlemler; 3) yanlış işlemler ve uyarılar yoluyla güvenlik bilincinin arttırılması; 4) Deneylerin süresi yerine tekrarlayan deneyler ve daha kısa süreli deneyler; 5) Kullanıcıların prosedürlere ve "yapılacaklar" ve "yapılmayanlara" sanal ortamda bile aşina olabilmeleri için geleneksel laboratuvarların protokolünü mümkün olduğunca yakından takip etmek.
Geleneksel olarak, sınırlı ekipman miktarı ve lisansüstü öğrencilerin araştırma amaçlı meslekleri nedeniyle, lisans öğrencileri nadiren fiziksel ekipmanla deney yapma şansına sahiptir. Farklı ekipman türlerini entegre eden sanal simülasyon sistemi, laboratuvar becerilerini geliştirmek için eşzamanlı olarak erişilebilir ve tekrarlanabilir deneyler sağlamaya yardımcı olabilir. Sanal sistem, konuşlandırıldıktan sonra mühendislik mekaniği geçmişi olan öğrenciler için 2020 ve 2021 akademik yıllarının sonbahar dönemlerinde uygulanmıştır. Tablo 2 , ortalama tamamlanma süresini, tamamlanma süresinin standart sapmasını ve farklı yılların ortalama puanlarını içeren deneyin sonuçlarını göstermektedir. Ortalama puan (toplamda 100), deneyin değerlendirilmesine (%70, sistem tarafından değerlendirilir) ve web üzerindeki laboratuvar raporuna (%30, öğretmen tarafından değerlendirilir) göre hesaplanır. Sonuçlar, öğrencilerin ortalama olarak, zaman açısından verimli olan ve sanal simülasyon yaklaşımına dayanan web tabanlı sistemin verimliliğini doğrulayan bir web tarayıcısı kullanarak deneyi ~ 73 dakika içinde tamamlayabileceklerini göstermektedir. 2022 yılında önerilen protokolün etkinliğini göstermek için bir çalışma gerçekleştirdik. Mühendislik mekaniği geçmişine sahip iki sınıftan öğrenciler (aynı öğretmene ve aynı sınıf modüllerine sahip iki sınıf, sınıf büyüklüğü nedeniyle iki sınıfa bölünmüş) iki gruba ayrıldı (her grup için bir sınıf). Grup 1'den gelen öğrenciler teorik bilgileri öğrenmek ve işlemleri öğretmenden izlemek için fiziksel laboratuvara katılırken, Grup 2'deki öğrenciler deneyleri için fiziksel laboratuvara (düzen ve ekipman dahil) dayalı olarak geliştirilen sanal arayüzü kullandılar. Tablo 3 , (Grup 1) ve (Grup 2) sanal arayüz deneyimi olmayan öğrenciler için çevrimiçi sınav sonuçlarını (toplam 10 puan ile) göstermektedir. Sanal arayüz deneyimine sahip öğrencilerin, deneyimi olmayanlara göre daha iyi performans gösterdiği sonucuna varılabilir.
Şekil 1: Deneyler sırasında kullanılan geliştirilen üç boyutlu ekipmanlar. Bu sanal simülasyon deneyi sayesinde, kullanıcının mekanik ve malzeme disiplinlerinde en sık kullanılan ekipmanlara aşina olacak şekilde eğitilebileceği sonucuna varılabilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Sanal simülasyon laboratuvar odasında vurgulanan yüksek sıcaklıktaki üniversal sünme test makinesi. Önceki adımı tamamladıktan sonra (numunenin kesilmesi), bir sonraki adım otomatik olarak oluşturulur, bu da makineyi (makine yakındayken) veya makineye giden yolu (makine yakınlarda olmadığında) vurgular. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Numunenin yerleştirme yönünü seçmek için kullanılan arayüz. Kullanıcı, bir sonraki adıma devam etmek için numunenin doğru yerleşim yönünü seçmelidir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 4: Metalografik numune kakma makinesini kullanmak için kullanılan arayüz. Kullanıcı seçimi onayladıktan sonra önceki adımın sonuçları ( Şekil 3'te) sol alt köşede gösterilmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Vurgulanmış bir yol kılavuzuna sahip arayüz. Kullanıcı, numunenin parlatılması ve korozyonu için bir odaya girmeye yönlendirilir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 6: SEM makinesi için kablolama. Kullanıcı deneye devam etmek için kabloları bağlamalıdır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 7: Önceden ayarlanmış çatlaklara sahip mikro konsol kirişinin yerinde mekanik deneysel işlem sonuçları. İki eğri, önceden ayarlanmış çatlaklara sahip mikro-konsol kirişinin in situ mekanik deneysel sonuçlarının bir örneğini göstermektedir. (A) Deplasman-zaman eğrisi, (B) gerilim-gerinim eğrisi. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 8: Teorik bilgiye dayalı hesaplama. Kalıp deliğine akan metal camın uzunluk-çap oranı ile zaman arasındaki ilişki. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 9: Uyarı, yanlış bir işlemin kapsama zarar verdiğini gösterir. Kullanıcılar SEM dedektörünün seviyesini yükseltmek/düşürmek için düğmeye tıklayabilir. Ancak, çok fazla seviye atlarlarsa, SEM dedektörü hasar görür. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 10: Bir kimyasal kullanmadan önce çevrimiçi kayıt için e-defter. Korozyon işleminden önce, kullanıcı bunu fiziksel laboratuvardaki prosedürle aynı olan deftere kaydetmelidir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayın.
| KİMLİĞİ | Sınav soru türü | Soru ayrıntıları | Seçenekler sunun |
| 1 | Boşluğu doldurma sorusu | Bu deneyde, silikon gofreti korozyona uğratmak için __ çözeltisi kullanılmıştır. | Hiç kimse |
| 2 | Tek yanıtlı MCQ | Deney için yüksek sıcaklık üniversal sürünme test makinesi kullanıldığında, aşağıdaki malzemelerden hangisi Newton sıvısı olarak kabul edilebilir? | A. Geleneksel metal |
| B. Amorf alaşım | |||
| 3 | Tek yanıtlı MCQ | Bir numunenin 60mN'lik maksimum kuvvete dayanacağı tahmin ediliyorsa, aralık seçiminde InForce 50 veya InForce 1000'i seçin? | A. Kuvvet 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | Çok yanıtlı MCQ | Nanoindenter ölçmek için kullanılabilir mi? | A. Zorluk |
| B. Elastikiyet modülü | |||
| C. Kırılma tokluğu | |||
| D. Viskoelastisite | |||
| 5 | Tek yanıtlı MCQ | SEM bir kısaltmadır | A. Optik mikroskop |
| B. Taramalı elektron mikroskobu | |||
| C. Transmisyon elektron mikroskobu |
Tablo 1: Denemeden sonra çevrimiçi sınav alıştırması için soru örnekleri. Kullanıcıların farklı soru türlerini tamamlamaları gerekir, böylece deneyin tüm sürecini sistematik olarak gözden geçirebilir ve teoriyi deneyle ilişkilendirebilirler.
| Yıl | Öğrenci sayısı | Ortalama tamamlanma süresi | Tamamlanma süresinin standart sapması | Ortalama puan |
| 2021 | 58 | 71 dk ve 46 sn | 11 dk ve 39,5 saniye | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 dk ve 3 sn | 11 dk ve 15,4 saniye | 80.21 |
Tablo 2: Farklı yıllardaki deneylerin sonuçları. Mühendislik mekaniği geçmişine sahip öğrenciler deneyleri iki farklı akademik yılda tamamladılar.
| Grup Kimliği | Öğrenci sayısı | Ortalama puan | Puanın standart sapması |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tablo 3: (Grup 1) ve (Grup 2) sanal arayüz deneyimi olmayan öğrenciler için çevrimiçi sınav sonuçları (toplam 10 puan ile). Mühendislik mekaniği geçmişine sahip öğrenciler, protokolün verimliliğini göstermek için 2022 yılında iki gruba ayrıldı.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sanal simülasyon deneylerinin avantajlarından biri, kullanıcıların fiziksel sisteme zarar verme veya kendilerine zarar verme endişesi olmadan deneyleri yapmalarına izin vermeleridir11. Böylece, kullanıcılar doğru veya yanlış işlemler de dahil olmak üzere herhangi bir işlemi gerçekleştirebilirler. Bununla birlikte, sistem kullanıcıya, yanlış bir işlem yapıldığında deneyleri doğru bir şekilde yürütmeleri için rehberlik etmek üzere etkileşimli deneye entegre edilmiş bir uyarı mesajı verir. Bu sayede kullanıcılar doğru işlemleri öğrenebilirler. Örneğin, bir kullanıcı SEM üzerinde işlem yaptığında, Şekil 9'da gösterildiği gibi, SEM dedektörünün seviyesini çok fazla yükseltebilir ve kazara zarar verebilir.
Fiziksel laboratuvarlardaki uygulamalı deneylere benzer şekilde, sanal deneyler yapan kullanıcılar da deneylerini ve güvenlik farkındalıklarını potansiyel olarak artırabilecek doğru prosedürleri izlemelidir. Örneğin, Şekil 10'da gösterildiği gibi, numunenin korozyon işlemi için metalografik bir numuneye bir KOH çözeltisi hazırlarken, kullanıcı kimyasalı kullanmadan önce bir deftere kaydolmalıdır.
Bu sistem, malzeme deformasyonu ve arıza deneyleri için karmaşık ve kapsamlı bir sanal ortam sağlasa da, ana sınırlama şu anda kullanıcı özelleştirmelerinden yoksun olmasıdır. Kullanıcılar deney yapmak için adımları izler ve nadiren fikirlerini uygulama şansına sahip olurlar. Bununla birlikte, sistem öğrencilere fikirlerini uygulamak ve kendi tasarımlarını ve uygulamalarını oluşturmak için daha fazla özgürlük sağlamak için geliştirilebilir.
Üç boyutlu sanal simülasyon, son on yılda katılım ve öğrenme için sürükleyici arayüzler sağlama açısından dünya çapında önemli bir konu olmuştur12,13. Sanal simülasyon ile ilgili çalışmalar, güvenlik hususları içinkontrol mühendisliği 14 15 ve üretim uygulamaları için kimya mühendisliği16 gibi çeşitli disiplinlerde yürütülmüştür. Malzeme ve mekanik disiplininde sistem, öğrencilerin deneysel protokoller, ekipman kullanımı ve teorik bilgilerin doğrulanması konusunda eğitilmesi için kullanılabilir. Mevcut yöntemlerle ilgili olarak, önerilen sanal simülasyon yaklaşımına, internet ve bir web tarayıcısı mevcut olduğu sürece kullanıcılar tarafından herhangi bir zamanda herhangi bir yerden erişilebilir, bu da bu yaklaşımın uygun maliyetli ve oldukça verimli olduğu anlamına gelir. Çevrimiçi sistem, yedi farklı türde pahalı ekipman sağlayarak, kullanıcıların bu tek çevrimiçi sistemde operasyonlarını ve laboratuvar becerilerini tekrar tekrar geliştirmelerini sağlar.
Sistem, tekniğin gelecekteki uygulamalarında geleneksel öğretme ve öğrenme ile birlikte kullanılabilir. Örneğin, sistem uygulamalı deneylerle birleştirilebilir. Öğrenciler geleneksel laboratuvarlarda uygulamalı deneyler yapmadan önce sanal simülasyon deneyleri yapabilirler. Geleneksel yöntemlerle karşılaştırıldığında, sistem etkileşimli ve sürükleyicidir. Geleneksel eğitimin sağladığı faydalara ek olarak, sanal simülasyon tabanlı deneysel öğretim, öğrencilerin pratik problemleri çözmek için öğrendikleri bilgileri kullanma yeteneklerini kullanabilecekleri çok çeşitli yardımcı işlevler sağlar. Ek olarak, bu tür bir öğretim, öğrencilerin araştırma ilgi alanlarını ve inovasyon duygularını, gelişmiş mikro ve nano ölçekli mekanik deneylerin test teknikleri, yöntemleri ve ilkelerinde ustalaşmaları için eğiterek geliştirir ve öğrencilerin profesyonel ve kapsamlı niteliklerini geliştirmelerine etkili bir şekilde yardımcı olur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.
Acknowledgments
Bu çalışma kısmen 2042022kf1059 Hibe kapsamında Merkez Üniversiteler için Temel Araştırma Fonları tarafından desteklenmiştir; Hubei Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı 2022CFB757 Hibesi kapsamında; Hibe 2022TQ0244 kapsamında Çin Doktora Sonrası Bilim Vakfı; WHU-2021-SYJS-11 Hibe kapsamında Wuhan Üniversitesi Deney Teknolojisi Proje Fonu; Hibe 2021038 kapsamında 2021 yılında Hubei Eyaleti Kolej ve Üniversitelerinde İl Eğitim ve Araştırma Projeleri; ve Hubei Eyaleti Kolej ve Üniversitelerinde HBSY2021-01 Hibesi kapsamında İl Laboratuvar Araştırma Projesi.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
- Chong, K. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
