Method Article

Elastomerik yüzeylere kalıcı, sağlam şablonlu ince parçacık desenlerinin uygulanması

DOI:

10.3791/68576

⸱

July 8th, 2025

 ,  , 
1School of Materials Engineering, Purdue University, 2School of Mechanical Engineering, Purdue University, 3Department of Mechanical Engineering, University of Delaware, 4Department of Materials Science and Engineering, University of Delaware

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

İnce parçacıkları yüzeye yapıştırarak silikon yüzeylere kalıcı işaretlemeler ve desenler uygulamak için bir yöntem sunuyoruz. İşaretler, tanınabilir bir tasarım veya dijital görüntü korelasyonunda kullanılanlar gibi rastgele bir benek deseni olabilir.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Elastomerik kompozitler için doğrusal olmayan, büyük deformasyon modelleri geliştirmek, yumuşak robotik, protez ve darbe azaltma (atletik kasklar ve dolgu gibi) uygulamalarında devam eden bir zorluktur. Araştırma hedefimiz, malzeme davranışını tahmin eden modeller geliştirmek ve doğru simülasyonlar üretmektir. Araştırmamızda ilerledikçe, sağlam kurucu ilişkiler geliştirmemizi sağlayacak yüzey alanı deformasyonunu deneysel olarak yakalamanın temel ihtiyacını fark ettik.

Dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve ızgara izleme gibi yaygın optik izleme teknikleri, yüzey yer değiştirme alanını izlemek ve hesaplamak için numunenin yüzeyinde bir model gerektirir. Bununla birlikte, kürlenmiş silikonlar gibi çoğu elastomerik malzemenin doğal düşük yüzey enerjisi, yüzeyin kalıcı olarak işaretlenmesini engeller. Başka bir deyişle, numuneyi tutarken kolayca silinmeyecek veya lekelenmeyecek malzemeye yüzey izleme desenleri yapıştırmak neredeyse imkansızdır. Ayrıca, büyük deformasyon deneyleri, orijinal yüzey deseninin bozulmasına, çatlamasına veya pul pul dökülmesine neden olabilir.

Burada, elastomerik parçalarımızın reaktif enjeksiyonla kalıplanmasından önce kalıpların iç yüzeyine toz işaretleme desenlerinin sprey döküm desenleri için yeni bir yöntem sunuyoruz. Üretim sürecinde silikon veya elastomerik numunelere kalıcı, yüksek kaliteli yüzey desenlerinin uygulanmasına izin veren bu basit yöntemi geliştirdik. Yüzey desenleri, DIC'de kullanılan rastgele benek desenlerinden ayrıntılı çok renkli desenlere kadar değişebilir. Bu yeni, sağlam desenler, solma veya çatlama olmadan büyük gerinim döngüsel yüklerine dayanabilir ve silikonların laboratuvar ve endüstriyel ortamlarda kolayca işaretlenmesine olanak tanır.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Gelişmiş yükleme senaryoları altında büyük deformasyon malzemesinin karakterize edilmesi, homojen olmayan gerinim 1,2,3,4,5 oluşturma eğilimindedir. Bu homojen olmayan gerilimi doğru bir şekilde modellemek için, deneycinin yüzey veya hacim kinematiğini yakalaması gerekir. Yüzey veya hacim kinematiği elde etmek için kullanılan en yaygın tekniklere optik izleme teknikleri denir. Dijital görüntü korelasyonu (DIC) ve ızgara izleme, yüzey kinematiği için literatürdeki en yaygın iki optik izleme tekniğidir ve her ikisi de numunenin yüzeyinde görünür desenler gerektirir 6,7.

Yığın matrisinde asılı duran ince demir parçacıklarına sahip bir yığın silikondan oluşan bir manyetörolojik elastomer (MRE) düşünün. Numune, hem sınırlardaki klasik mekanik yüklerden hem de temassız kuvvet olarak sınıflandırılan uygulanan bir manyetik alandan aynı anda deforme olabilir. Bu ve diğer benzer yükleme senaryolarında, deneycinin yüzey kinematiğini yakalaması zorunludur, çünkü ortak yükleme modlarındaki homojen gerinim varsayımı artık geçerli değildir. Kauçuk benzeri numunelerin yüzeyini işaretlemek için, örneğin yüksek kontrastlı bir işaretleyici veya boya 2,6 kullanmak gibi birden fazla teknik mevcuttur. Deneyciler ayrıca, numuneyi işaretlemeden önce biyolojik doku örneklerinekozmetik temel uyguladılar 3,5. Her iki durumda da amaç, numuneye hem kalıcı hem de yüksek kaliteli işaretlerin yapıştırılmasıdır. Kalıcılık, taşıma ve döngüsel mekanik testler sırasında işaretlerin numune yüzeyinden solmasını veya dökülmesini önlemek için gereklidir. Doğru görüntü analizi ve deformasyonun izlenmesi için yüksek çizgi çözünürlüğü veya "aslına uygunluk" esastır.

Burada, numune oluşturulduktan sonra değil, üretim sırasında numunenin yüzeyine ince parçacıklar yapıştırarak silikon numunelere kalıcı, yüksek çözünürlüklü işaretler uygulamak için bir yöntem sunuyoruz. DIC'de kullanılan karmaşık çok renkli bir tasarım veya rastgele benek deseni olsun, istenen desen, enjeksiyon kalıplama işleminden önce kalıp boşluğunun iç kısmına uygulanır (Şekil 1). İnce parçacıklar alkolde süspanse edilir ve daha sonra bir hava fırçası veya benzeri bir alet kullanılarak uygulanır. Desen kalıba uygulanır. Alkol buharlaştıktan sonra kalıp kapatılır ve kürlenmemiş termoset elastomerik malzeme kalıba enjekte edilir. Sertleşmeyi takiben, katı numune, yüzeye kalıcı olarak gömülü desen ile çıkarılır.

figure-introduction-1
Şekil 1: Yüksek kaliteli desenleri silikon yüzeylere yapıştırmak için akış şeması protokolü. Sürecimiz için akış şeması veya karar ağacı. Akış şemasındaki her adımın bu numaralandırılması ve etiketlenmesi, protokol açıklamasına karşılık gelir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

DİKKAT: Uygun kişisel koruyucu ekipman (KKD) gözlük, laboratuvar önlüğü, N95 maskesi, kulak koruması ve lateks olmayan eldivenlerden oluşur. Lateks eldivenler platin silikon numunelerinin kürleme sürecini engelleyeceğinden lateks olmayan eldivenler (yani nitril) gereklidir.

1. İlk hazırlık

  1. Kalıpların ilk hazırlanması
    1. Kalıpları sabun ve su ile temizleyin ve kalıpların kurumasını bekleyin. Kalıpları izopropil alkolle silin ve kalıpların kurumasını bekleyin.
  2. Şablonların ilk hazırlığı
    1. Şablonları sabun ve suyla temizleyin ve kurumasını bekleyin. Şablonları izopropil alkolle silin ve şablonların kurumasını bekleyin.
  3. Hava fırçasının ilk hazırlığı
    NOT: Kullanılan hava kompresörü tipine bağlı olarak kulak koruması gerekebilir. Hava fırçasını kullanırken bir çeker ocak gereklidir.
    1. Hava kompresörünü hava fırçasına takın, hava kompresörünü uygun bir elektrik prizine takın ve hava kompresörünü açın. Uygun KKD'ye sahip bir çeker ocak içinde, hava fırçasını izopropil alkolle doldurun ve hava fırçasını içinden birkaç kez izopropil alkol geçirerek temizleyin.
      NOT: Hava fırçası her kullanımdan sonra temizlenmelidir. Bir şablon kullanıyorsanız, bölüm 2'ye geçin. Bir şablon kullanmıyorsanız (DIC benek deseni uygulaması gibi), bölüm 3'e geçin.

2. Şablonlu kalıp hazırlama

DİKKAT: Sprey yapıştırıcıyı veya kalıp ayırıcıyı tutarken bir çeker ocak gereklidir.

  1. Sprey yapıştırıcıyı şablona uygulayın.
    1. Uygun KKD'ye sahip bir çeker ocak içine, şablonu bir kağıt havlu üzerine yerleştirin ve şablona bir kat sprey yapıştırıcı uygulayın. Yapıştırıcıyı şablonun üzerine püskürtürken, püskürtme memesini şablondan yaklaşık 30 cm uzakta tutun ve düzgün ve sürekli bir hareketle püskürtün. Adım 2.2'ye geçmeden önce şablon yapışkan hale gelene ancak artık ıslak olmayana kadar 30 s ila 60 s bekleyin.
      NOT: Yalnızca bir geçiş gereklidir; Çok fazla yapıştırıcı, şablonun kalıptan daha sonra çıkarılmasını zorlaştıracaktır.
  2. Şablonu kalıba yapıştırın.
    1. Uygun KKD'ye sahip bir çeker ocak içinde, kalıbı bir kağıt havlu üzerine yerleştirin. Yapıştırıcıyı rahatsız etmediğinizden emin olarak şablonu temiz, lateks olmayan eldivenlerle dikkatlice alın ve şablonun, yapışkan tarafı kalıba temas edecek şekilde kalıba yerleştirin. Kalıpla düzgün temas sağlamak için bir parmağınızı şablonun üzerinde sıkıca gezdirerek şablonu düzleştirin.
      NOT: Dağınık desen kenarlarını önlemek ve keskin özellikleri korumak için kalıpla düzgün temas gereklidir.
  3. Şablon bandını kalıba yerleştirin.
    1. Ressam bandı kullanarak şablonun kenarlarını kalıba bantlayın. 4. adıma geçin.
      NOT: Bu adım, şablon kenarlarının kalıptan ayrılmasını önlemek için şablonun kalıba sabitlenmesini sağlar.

3. DIC benek kalıbı hazırlama

  1. DIC Speckle için kalıp ayırıcıyı kalıba uygulayın.
    1. Uygun KKD'ye sahip bir çeker ocak içine, kalıbı kalıp boşluğu yüzeyi yukarı bakacak şekilde bir kağıt havlu üzerine yerleştirin. Kalıba bir kat kalıp ayırıcı püskürterek kalıba kalıp ayırıcı uygulayın. Kalıp ayırıcıyı kalıba püskürtürken, püskürtme memesini kalıptan yaklaşık 12 inç uzakta tutun ve düzgün ve sürekli bir hareketle püskürtün.
      NOT: Yalnızca bir geçiş gereklidir; Bununla birlikte, çok fazla kalıp bırakma sorun yaratmaz.

4. Airbrush hazırlığı

NOT: İnce tozla çalışırken bir çeker ocak ve bir N95 maskesi gereklidir.

  1. İnce toz süspansiyonun ilk hazırlığı
    1. Uygun KKD'li bir çeker ocak içinde, 45 mL'lik bir izopropil alkol ve ince toz (grafit veya renkli pigment) süspansiyonu hazırlayın (Şekil 2). Bunu yapmak için, Şekil 2A'da gösterildiği gibi bir huni veya küçük bir kaşık kullanarak, bir test tüpüne yaklaşık 10 mL ince toz yerleştirin ve test tüpünün kalan hacmini 45 mL toplam hacme kadar doldurmak için izopropil alkol ekleyin. Test tüpünü kapatın ve kuvvetlice çalkalayın (ortaya çıkan süspansiyonun bir örneği için Şekil 2C'ye bakın).
      NOT: Hava fırçası memesinin tıkanmasını önlemek için bu sırada hava fırçasını doldurmayın.
  2. Püskürtmeden önce hava fırçasının doldurulması (Şekil 2D).
    NOT: Bu adım, hava fırçasını kullanmadan hemen önce gerçekleştirilmelidir. Hava fırçası tıkanacağından, hava fırçası haznesindeki toz süspansiyonu ile hava fırçası boşta durmamalıdır.
    1. Adım 4.1'den itibaren önceden karıştırılmış süspansiyonu yeniden sallayın. Süspansiyonu, hava fırçası kabının hacminin u'i dolana kadar hava fırçası kabına dökün.
      NOT: Hava fırçasının açısı dökülmeye neden olacağından hava fırçası kabını tamamen doldurmayın. Bir şablon kullanıyorsanız, bölüm 5'e geçin. Şablon kullanmıyorsanız , bölüm 6'ya geçin.

figure-protocol-1
Şekil 2: Airbrush'ın grafit çözeltisi ile hazırlanması. (A) Grafit tozunun test tüpüne yerleştirilmesi; (B) 10 mL grafit tozu; (C) izopropil alkol ve grafit tozu çözeltisi. (D) Kullanmadan hemen önce airbrush'ı doldurun. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

5. Kalıba şablonla püskürtün (Şekil 3)

  1. İnce partikül süspansiyonunun püskürtülmesi
    1. Hava kompresörünü açın. Kompresör hava basıncının 1,38 ila 1,72 bar (20-25 psi) olduğundan emin olun.
    2. Çeker ocakta, kalıbı yapıştırılmış şablonla dikey olarak hafifçe kapalı bir açıyla yönlendirin, böylece sprey 90°'lik bir açıyla uygulanır. Spreyin kalıbın önünde veya önünde başlamasını sağlamak için hava fırçasını kalıbın yanından hafifçe uzağa doğrultun.
    3. Hava fırçası tetiğini yavaşça geri çekin. Hava fırçası püskürtmeye başladığında, süspansiyonun ilk katını düzgün bir şekilde uygulayın. Süspansiyonu şablon ve kalıp üzerine püskürtürken, püskürtme memesini yüzeyden yaklaşık 30 cm uzakta tutun ve Şekil 3C'de gösterildiği gibi düzgün ve sürekli bir hareketle püskürtün.
    4. Hava fırçası tetiğini bırakın ve ince parçacık süspansiyonunun yüzeye eşit şekilde uygulanıp uygulanmadığını gözlemleyin. Gerekirse, şablonun ve kalıbın yüzeyi boyunca ek süspansiyon katmanları uygulayın.
  2. Şablonun kalıptan çıkarılması (Şekil 4)
    1. Şablonu çıkarmadan önce ince parçacıkların gözle görülür şekilde kurumasını bekleyin (en az 180 ila 300 s), aksi takdirde süspansiyon bulaşabilir. Şablonun negatif alanı, izopropil alkol buharlaştıkça ince parçacık tozu ile doldurulmuş gibi görünecektir.
    2. Boyacı bandını kalıbın üstünden (kısa uç) çıkarın ve boyacı bandını yavaş ve düzgün bir şekilde yukarı çekin. Şablon, Şekil 4A'da gösterildiği gibi ressamın bandı ile birlikte ayrılacaktır.

figure-protocol-2
Şekil 3: Grafit çözeltisinin Airbrush uygulaması. (A) Protokol bölümü 2'den hazırlanan kalıplar. (B) Püskürtmeden önce kare şeklinde dairesel deliklere sahip şablon. (C) Hazırlanan kalıba çözelti püskürtülmesi. (D) Püskürtmeden sonra ızgara şablonu. Ölçek çubukları = 2 mm (B,D). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-protocol-3
Şekil 4: Şablonun çıkarılması ve desenli kalıp yüzeyinin incelenmesi. (A) Şablonun kalıptan çıkarılması. (B) Alkolün buharlaşmasına izin verdikten sonra örnek kalıplar. (C) Enjeksiyon kalıplamadan önce kalıp üzerindeki ızgaranın büyütülmüş görünümü. Ölçek çubuğu = 1 mm (C). Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

6. Kalıbı şablon olmadan püskürtün

  1. Kalıp üzerine bir DIC benek deseni püskürtülmesi (Şekil 5)
    1. Hava kompresörünü açın. Kompresör hava basıncının 0,34 ila 0,69 bar (5-10 psi) olduğundan emin olun.
    2. Çeker ocakta, spreyin 90°'lik bir açıyla uygulanması için kalıbı şablonsuz olarak dikeyden biraz farklı bir açıyla yönlendirin.
    3. Benek deseninin uygun olduğundan emin olmak için yedek bir kağıda nişan alırken tetiğe kısa bir süre basarak hava fırçasını test edin (uzamsal olarak rastgele dağıtılmış, deneysel görüntüleme kurulumunun büyütülmesi için noktaların doğru boyut dağılımı).
    4. Şekil 5C'de gösterildiği gibi kalıp üzerinde benek deseni oluşturmak için tetiği kalıbın üzerine hafifçe vurun. İnce parçacıklar gözle görülür şekilde kuruyana kadar bekleyin (en az 180 ila 300 s), aksi takdirde süspansiyon bulaşabilir.
      NOT: Benek boyutu, hava basıncı değiştirilerek ayarlanabilir.

figure-protocol-4
Şekil 5: Kalıp üzerine rastgele desen püskürtme. (A) Benek deseni oluşturmak için hava fırçası tetiğine hafifçe vurun. (B) Kalıp üzerinde benek deseni. (C) Kalıp üzerinde benek deseni. (D) Büyütülmüş benek deseni. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

7. Kalıbı birleştirin (Şekil 6)

  1. Kalıbı monte edin.
    1. Enjeksiyon kalıplama işlemine hazırlanmak için kalıpları nazikçe birleştirin.
      NOT: Deneyci, enjeksiyon kalıplama işlemini gerçekleştirmeden önce en az birkaç gün duraklayabilir. İnce parçacıkların bulaşmasını önlemek için enjeksiyon kalıplama hızı düşürülmelidir.

figure-protocol-5
Şekil 6: Kalıpların montajı. (A) Plaka ve disk kalıplarının tam olarak monte edilmesi, (B) Disk kalıbının montajı, (C) Plaka kalıbının montajı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Belirli bir malzemenin mekanik özelliklerini temsil eden bir modeli takip eden deneyci için, çeşitli geometrilere sahip bir dizi örnekle birden fazla farklı deney yapmak gerekir. Bu teknik kullanılarak oluşturulan örneklerin örnekleri Şekil 7'de gösterilmektedir. Şekil 7A, beyaz bir numune üzerinde siyah ızgara tasarımına sahip bir Ecoflex silikon plakayı göstermektedir. Gösterilen tarafta siyah bir ızgara vardır ve arka tarafta siyah DIC beneği vardır. Şekil 7B, siyah bir numune üzerinde beyaz ızgara tasarımına sahip bir Ecoflex silikon plakayı göstermektedir. Şekil 7A'da gösterilen numune gibi, Şekil 7B'deki numunenin de arka tarafında, Şekil 6A'da gösterilen hazırlanmış kalıptan kalıplanmış DIC benek deseni vardır. Hem ızgara hem de DIC benek deseni ile hem beyaz üzerine siyah bir tasarım hem de siyah üzerine beyaz bir tasarım oluşturmaya yönelik bu desen, silindir ve Şekil 7'nin C, D, F ve G panellerinde gösterilen küp numuneleri üzerinde de gösterilmiştir. Şekil 7E, beyaz üzerinde mavi ızgaralı bir plaka örneği sağlar.

Şekil 8, enjeksiyon kalıplama akış hızının çok yüksek olması nedeniyle kötü desenlenmiş bir numuneyi temsil etmektedir. DIC benek deseni, parçacıkların çizgiler halinde yayılması için lekelenmiştir. Bu örnek, lekelenmeyi açıkça göstermek için kasıtlı olarak seyrek bir DIC benek deseni ile üretilmiştir. Bu yöntem, deneycinin, özellikle küçük gerinim deneyleri için daha iyi DIC sonuçları 7,8,9 için gerekirse daha yoğun bir benek deseni yerleştirmesine izin verir. Değişen yoğunluk benek desenleri Şekil 9B,C'de gösterilmiştir. Şekil 10, başarılı optik izlemeyi göstermek için bir DIC gerinim alanı renk haritası kaplaması ile bu yöntem kullanılarak üretilen silikon plakaların görüntülerini göstermektedir.

figure-results-1
Şekil 7: Deneylerde kullanılan örneklere örnekler. (A) Tek eksenli gerilimde siyah ızgara noktalı beyaz plaka. (B) Tek eksenli gerilimde beyaz ızgara noktalı (şablonlu desenli) siyah plaka. (C) Beyaz ızgara noktalı siyah silindir. (D) DIC benek desenli siyah silindir. (E) Mavi ızgara noktaları, (F) Beyaz ızgara noktaları ve DIC benek deseni ile beyaz küp. (G) Beyaz ızgara noktalı siyah küp. Ölçek çubukları = 1 mm (E), 1 cm (A-D,F,G). Kısaltma: DIC = dijital görüntü korelasyonu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-2
Şekil 8: Enjeksiyon kalıplama hızının çok hızlı olduğu ve benekli desenin bulaştığı numune örnekleri. Enjeksiyon kalıplama akış yönü, görüntünün alt kısmında yatay bir okla gösterilir. Eğimli oklar, lekeli desenin birkaç çizgisinin yerlerini gösterir. Ölçek çubuğu = 2 mm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-3
Şekil 9: Optik izlemede kullanılan örnek görüntü tasarımları. (A) Optik izleme için örnek bir ızgara deseni, (B) Optik izleme için seyrek bir DIC benek deseni örneği, (C) Optik izleme için yoğun bir DIC benek deseni örneği. Ölçek çubukları = 1 cm. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

figure-results-4
Şekil 10: Tek eksenli gerilim deneysel görüntülerinin üzerine yerleştirilmiş Dijital Görüntü Korelasyonu gerinim alanı örneği. Gerinim y yönünde uygulanır ve küresel mühendislik gerinim her görüntünün altında listelenir. Numunenin çeşitli konumlarının yerel dikey yer değiştirmesi, şeklin sağındaki ölçekte gösterildiği gibi renk haritası ile gösterilir. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Parçacıkları silikon gibi kauçuk benzeri malzemelere yapıştırma yeteneği hem endüstride hem de araştırmada avantajlar sağlar. Bununla birlikte, düşük yüzey enerjisine sahip malzemelerin yüzeylerine yapıştırmanın zor olabileceği iyi bilinmektedir. Genel olarak, deneysel yöntemleri numunelerinin yüzeyinde bir desen veya tasarım gerektiren araştırmacılar, genellikle Createx ve Vallejo 1,10 tarafından üretilenler gibi airbrushing için özel olarak formüle edilmiş boyaları kullanırlar. Boya kullanan bu uygulamalar genellikle bir astar gerektirir ve yine de desenlerin gerekli dayanıklılığını elde edemez. Esnek alt tabakalarda, mekanik testler sırasında çatladığı için boya bulaşabilir veya pullar halinde düşebilir. Bu işaretleme yapıştırıcısı arızaları daha sonra dijital görüntü korelasyonu gibi bir optik izleme yöntemi tarafından yakalanan veri alanını değiştirir. Yöntemimiz, yüzey deseninin uzun süreli dayanıklılığını sağlar. Şu anda, agresif bir şekilde lekelemeye ve yüzey desenini mekanik olarak çıkarmaya çalıştığımız 6 yıldan daha eski örneklerimiz var. Bu işaretleri kaldırmaya yönelik tüm çabalar başarısız oldu ve bu da yüzey desenlerinin sağlamlığını gösterdi.

Endüstride, bir contanın takılması gibi güvenlik ve işlem talimatları için kauçuk benzeri malzemelerin yüzeyine tasarımlar, semboller veya kelimeler uygulamak da gerekli olabilir. Örneğin, otomobil endüstrisinde, net kurulum talimatları sağlamak için "BU TARAF YUKARI" gibi kelimeleri basmak veya lastik bir conta üzerine bir ok basmak yaygındır. Geleneksel olarak, bu işaretler kalıp yüzeyinin, kelimelerin parçanın geri kalanının yüzeyinin üstünde veya altında olacak şekilde değiştirilmesiyle elde edilir. Bu yöntem, işaretlerin her değiştirilmesi gerektiğinde yeni bir kalıbın üretilmesini gerektirir. Ek olarak, son parça, baskının bulunduğu yerde farklı bir kalınlığa sahip olacak ve bu da çalışma sırasında olası arıza bölgelerine yol açacaktır. Yöntemimiz, kalıpları hiçbir şekilde değiştirmeyerek ve nihai malzemenin yüzeyinin tek tip bir kalınlıkta kalmasına izin vererek her iki sorunun da üstesinden gelir.

Modelleme yöntemimizin malzemenin mekanik özelliklerini etkilemediğini doğrulamak için mekanik testler yapılmıştır. Numuneleri basit kesme, tek eksenli gerilim, sıkıştırma ve hatta darbe testleri gibi çeşitli yükleme modlarında defalarca test ettik. Ayrıca bu yöntem, alternatif boya uygulama yöntemleriyle karşılaştırıldığında çevre açısından güvenlidir. Kalıbı havayla fırçalarken solüsyonumuzda alkol kullanarak toksik, uçucu boya çözücülerinin kullanımından kaçınıyoruz. Son olarak, yöntemimizin dikkate değer bir özelliği, numune yüzeyinde çok renkli, yüksek çözünürlüklü desenler oluşturma yeteneğidir. Yöntem, şablonun parçacık boyutu ve üretim hassasiyeti ile sınırlıdır. Partikül boyutu, istenen doğruluğu elde etmek ve enjeksiyon kalıplama işleminin akış hızının üstesinden gelmek için yeterince küçük olmalıdır. Numune boyutu ve geometrisi sadece kalıbın boyutu ve seçilen malzeme ile sınırlıdır. Oda sıcaklığında yaklaşık 20 dakikalık kap ömrüne sahip silikon kullanarak 2 inçlik küpler başarıyla ürettik.

Şablon üretim yöntemi, parçacık sprey kaplama sırasında kalıp boşluğu üzerinde yüksek kaliteli bir tasarım oluşturma yeteneğini, özellik boyutunu, çözünürlüğünü ve yeteneğini doğrudan etkileyecektir. Hangi şablon imalatının, desenleme yönteminin ayrılmaz bir parçası olduğunun dikkatli bir şekilde değerlendirilmesi. Burada, her bir teknikle oluşturulabilecek minimum özellik boyutu olan lmin. ile birlikte basit bir şablon hazırlama teknikleri seti sunuyoruz. İlk olarak, bir maket bıçağıyla elle kesme: X-Acto bıçakları veya maket bıçakları gibi hassas aletler, ayrıntılı ve karmaşık tasarımlar için en iyisidir ve plastik levhalar, mylar veya kart stoğu (lmin ≥ 1 mm) gibi malzemelerle iyi çalışır. İkincisi, makasla elle kesme: Basit şekiller ve daha az karmaşık tasarımlar (lmin ≥ 1 mm) üretmek için kağıt veya ince vinil gibi hafif malzemeler için kullanılabilir. Üçüncüsü, Cricut veya Silhouette gibi kalıp kesme makineleri: Yapışkan vinil veya kart stoğu (lmin ≥ 250 μm) gibi malzemeler kullanarak karmaşık tasarımları hassas bir şekilde kesebilir. Dördüncüsü, lazer kesim: Akrilik, ahşap veya kalın plastik şablonlar (lmin ≥ 100 μm) için uygun karmaşık desenler için yüksek teknoloji ürünü bir seçenek. Beşincisi, ısıyla kesme aletleri: elektrikli sıcak bıçaklar veya havyalar, mylar veya diğer ekstrüde polimer filmler (lmin ≥ 1 mm) gibi termoplastik şablon malzemeleri aracılığıyla eriyebilir. Bu yöntem pürüzsüz kenarlar üretir. Altıncısı, delme: küçük, tekrarlayan şekiller için faydalıdır ve en iyi hafif malzemelerde (lmin ≥ 100 μm) çalışır. Son olarak, bilgisayar kontrollü yönlendiriciler büyük veya endüstriyel ölçekli şablon projeleri için kullanılabilir (lmin değişir).

Herhangi bir yeni üretim protokolünde, süreçteki belirli adımlar, istenen sonucu elde etmek için kritik öneme sahiptir. Yöntemimizde, vurgulanması ve özel dikkat gösterilmesi gereken üç adım vardır. İlk kritik adım, alkolün airbrushed partikül süspansiyonundan tamamen buharlaşmasına izin vermek ve sadece partiküllerin kalıp yüzeyine yapışmasını sağlamaktır. Alkol tamamen buharlaşmazsa, enjeksiyon kalıplama işlemi sırasında kalıp üzerindeki tasarımın bulaşma ve/veya alkolün kürlenmemiş malzeme ile karışma olasılığı yüksektir. Parçacıkların boyutu yeterince küçük olmalıdır, çünkü hava fırçasındaki alkol "boyası" içinde asılı kalan bu parçacıklar, alkol tamamen buharlaştıktan sonra kalıba yapışır. Parçacıkların boyutu, dikkat edilmesi gereken önemli bir sınırlamadır. Parçacıklar çok büyükse, Van der Waals kuvvetleri, parçacıkları kauçuk benzeri malzeme yüzeyinin yüzeyine güvenli ve kalıcı bir şekilde yapıştırmak için yetersiz olacaktır. Bununla birlikte, uygun büyüklükteki parçacıklar, birkaç ticari pigment tedarikçisinden uygun ve kolay bir şekilde elde edilebilir.

İkinci kritik adım, şablonu geçici olarak kalıp üzerinde tutan yapıştırıcı miktarıdır. Deneyimlerimize göre, bu adımı gerçekleştirmenin en iyi yolu, bir sprey yapıştırıcının hızlı geçişini kullanmaktır. Şablonun kalıpla tam temas etmesini sağlarken mümkün olduğunca az yapıştırıcı öneririz. Kalıbın üzerindeki şablonu parmağınızla veya lastik spatula gibi uygun bir aletle manuel olarak düzleştirerek uyumlu temas oluşturulabilir. Şablonun açıklıkları kalıba karşı tamamen düz değilse, parçacık süspansiyonu hava fırçalama sırasında şablon deseninin kenarlarının altına göç edecek ve yüzey tasarım kenarlarının keskinliğini önemli ölçüde azaltacaktır. Çok fazla yapıştırıcı kullanılırsa, kalıbı çıkarmak zor olacaktır ve yeni uygulanan tasarıma zarar verebilir. Ayrıca, çok fazla yapıştırıcı, kürleme işlemi sırasında numunenin kalıba güçlü bir şekilde yapışmasına yol açacak ve numuneye zarar vermeden kalıptan çıkarma işlemini neredeyse imkansız hale getirecektir.

Üçüncü kritik adım, enjeksiyon kalıplama işlemi sırasında kürlenmemiş silikonun enjeksiyon hızıdır. Deneyimlerimize göre, yeterince yavaş enjeksiyon kalıplama akış hızlarının, ince parçacıkları kalıba yapıştıran Van der Waals kuvvetlerinin üstesinden gelmediğini ve desenli parçacıkları bozmadan kalıp boşluğunun doldurulmasına izin verdiğini gözlemledik. Desenin bulaşmasını önlemek için yeterince yavaş, ancak silikonun kürlenmesinin başlamasından önce kalıp boşluğunu doldurmak için yeterince hızlı olan optimum bir enjeksiyon hızını belirlemek için bazı ampirik testler gereklidir. Daha büyük hacimli parçalar yapılırsa karışıma kürleme geciktiriciler eklenebilir. Malzemenin viskozitesi ve kürlenme süresi, her malzemenin sistemi için uygun enjeksiyon oranını belirleyecektir.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklanacak herhangi bir çıkar çatışması yoktur.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar, araştırmayı yürütmek için laboratuvar olanakları sağladığı için Purdue Üniversitesi'ne teşekkür eder.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
Hava kompresörüZanaatkarCMEC6150TAŞINABİLİR: 6 gal. pancake kompresörü
https://www.craftsman.com/collections/air-compressors/products/cmec6150
Eko esnek için boyaPürüzsüz GörünümPMS 2757CSilc Pig silikon renk pigmentleri. Silc Pig pigmentleri konsantredir, bu yüzden Smooth-On silikon ürünleri renklendirirken biraz uzun bir yol kat eder.
Farklı Silc Pig renklerini karıştırarak özel renkler mümkündür.
Silc Pig 9 Paket Örnek Alınacak Parça Siyah, KAN, MAVİ, KAHVERENGİ, YEŞİL, AÇIK ET, KIRMIZI, BEYAZ, SARI içerir.
https://www.smooth-on.com/products/silc-pig/
İzopropil alkolKuğu%70 İzopropil Alkol - 16 oz Şişe S-15966 - Uline%70 İzopropil Alkol - 16 oz Şişe
www.uline.com
Karıştırma KaplarıSolomodel numarası: S-19462RPlastik Parti Bardakları
www.uline.com
Şablon için Kalıp AyırıcıEase Release 200 & 205Epoksi, üretan ve RTV silikon kalıpları yapmak için model ve desen ayırıcı.
https://www.reynoldsam.com/
Mylar Sayfa 3 milŞablonlar Çevrimiçi LLCNAMylar Levhalar | Şablon Malzemesi
www.stencilsonline.com
Ressamlar Maskeleme BandıÜlinS-26006Uline Ressamlar Maskeleme Bandı
www.uline.com
Kağıt havlularÜlinS-7711 UlineS-7711 Uline - Ekonomik fiyata emici bir havlu. 2 katlı.
www.uline.com
Dondurma çubuklarıDariceÜrün model numarası: D-0139#, UPC 652695701399https://www.amazon.com/Darice-Popsicle-Sticks-Crafts-Natural/dp/B0CPKHS44K/?th=1
TozToprak PigmentleriTitanyum Dioksit PW6Titanyum Beyaz Toprak Pigmentleri
https://www.earthpigments.com/
Silikon (ecoflex)Pürüzsüz GörünümEcoflex 00-20 SerisiPlatin katalizli silikonlar
https://www.smooth-on.com/
Sprey YapıştırıcıŞablon KolaylığıSKU:  ASA0005Şablon Kolaylığı Yeniden Konumlandırılabilir Sprey Yapıştırıcı
https://www.stencilease.com/
Püskürtme Tabancası / AirbrushPorsukVatansever 105Badger Patriot 105 Hava Fırçası
https://www.badgerairbrush.com/Patriot_105.asp
Test TüpleriKüresel BilimselÜrün 83576, Üretici Parça #: 625450mL Polistiren Genel Amaçlı Santrifüj Tüpleri Kapaklı - Steril
www.usplastic.com
Vinil BoruSioux Şefi Model Numarası: 900-01163C00501 Menards  Ürün numarası: 6840523Sioux Chief Şeffaf Vinil Boru
www.menards.com

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Gustafson, H. M., Melnyk, A. D., Siegmund, G. P., Cripton, P. A. Damage identification on vertebral bodies during compressive loading using digital image correlation. Spine (Phila Pa 1976). 42 (22), E1289-E1296 (2017).
  2. Han, Y., Rogalsky, A. D., Zhao, B., Kwon, H. J. The application of digital image techniques to determine the large stress-strain behaviors of soft materials. Polymer Engineering & Science. 52 (4), 826-834 (2012).
  3. Nagelli, C., et al. Mechanical and strain behaviour of human Achilles tendon during in vitro testing to failure. Eur Cell Mater. 43, 153-161 (2022).
  4. Nunes, L. C. S. Shear modulus estimation of the polymer polydimethylsiloxane (pdms) using digital image correlation. Materials & Design. 31 (1), 583-588 (2010).
  5. Palanca, M., Tozzi, G., Cristofolini, L. The use of digital image correlation in the biomechanical area: A review. International Biomechanics. 3 (1), 1-21 (2016).
  6. Pan, B. Recent progress in digital image correlation. Exp Mech. 51, 1223-1235 (2011).
  7. Reu, P. Introduction to digital image correlation: Best practices and applications. Exp Tech. 36 (1), 3-4 (2012).
  8. Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. Topical review: Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review. Meas Sci Technol. 20, 062001(2009).
  9. Sutton, M., Orteu, J. -J., Schreier, H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: Basic concepts, theory and applications. , (2009).
  10. Pan, B. Digital image correlation for surface deformation measurement: Historical developments, recent advances and future goals. Meas Sci Technol. 29, 082001(2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Elastomeric SurfacesFine Particle PatternsDigital Image CorrelationSurface Field DeformationOptical TrackingStenciled PatternsInjection MoldingSpeckle PatternsMechanical TestingMold Surface Preparation

Related Articles