إنتاج جهاز قياس السلالة مع طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة

Summary

يقدم هذا العمل مستشعر قياس السلالة الذي يتكون من آلية تضخيم ومجهر بوليديميثيلسيلوكسان المصنعباستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة.

Abstract

يجب كهربة مستشعر قياس السلالات التقليدي ويكون عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي. من أجل حل التقلبات في الإشارة الكهربائية التناظرية في عملية قياس سلالة التقليدية، يتم تقديم طريقة قياس سلالة جديدة هنا. ويستخدم تقنية التصوير الفوتوغرافي لعرض تغيير سلالة عن طريق تضخيم تغيير إزاحة المؤشر من الآلية. تمت إضافة عدسة بوليديميثيل سيلوكسان البصرية (PDMS) مع البعد البؤري من 7.16 ملم إلى كاميرا الهاتف الذكي لتوليد مجموعة عدسة تعمل كمجهر لالتقاط الصور. وكان له طول بؤري مكافئ قدره 5.74 ملم. Acrylonitrile butadiene الستايرين (ABS) واستخدمت مكبرات النايلون لاختبار تأثير مواد مختلفة على أداء أجهزة الاستشعار. ويستند إنتاج مكبرات الصوت وعدسة PDMS على تحسين تكنولوجيا الطباعة 3D. وقورنت البيانات التي تم الحصول عليها بالنتائج المستمدة من تحليل العناصر المحدودة للتحقق من صحتها. وكانت حساسية مكبر الصوت ABS 36.03 ± 1.34 μа/μm، وكانت حساسية مكبر النايلون 36.55 ± 0.53 μа/μm.

Introduction

الحصول على مواد خفيفة ولكن قوية مهم بشكل خاص في الصناعة الحديثة. تتأثر خصائص المواد عند التعرض للإجهاد والضغط والالتواء واهتزاز الانحناء أثناء الاستخدام^1و2. وبالتالي ، فإن قياس السلالة من المواد مهم لتحليل متانتها واستكشاف الأخطاء وإصلاحها الاستخدام. تمكن هذه القياسات المهندسين من تحليل متانة المواد واستكشاف مشاكل الإنتاج. الطريقة الأكثر شيوعا قياس سلالة في الصناعة يستخدم أجهزة استشعار سلالة^3. وتستخدم على نطاق واسع أجهزة استشعار احباط التقليدية بسبب تكلفتها المنخفضة وموثوقية جيدة^4. أنها تقيس التغيرات في الإشارات الكهربائية وتحويلها إلى إشارات إخراج مختلفة^5،6. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تستبعد تفاصيل ملف تعريف السلالة في الجسم المقاس وهي عرضة للضوضاء من التداخل الكهرومغناطيسي الاهتزازي مع الإشارات التناظرية. تطوير دقيقة، وتكرار للغاية، وسهلة طرق قياس سلالة المواد مهم في الهندسة. وهكذا، تجري دراسة أساليب أخرى.

في السنوات الأخيرة، أثارت المواد النانوية الكثير من الاهتمام من المحققين. لقياس الضغط على الأجسام الصغيرة، اقترح أوزبورن وآخرون^7،8 طريقة لقياس سلالة المواد النانوية ثلاثية الأبعاد باستخدام التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD). باستخدام الديناميات الجزيئية، حققت لينا وآخرون⁹ في هندسة سلالة الاحتكاك بين الطبقات من الجرافين. وقد تم توزيع قياسات سلالة الألياف البصرية باستخدام التحليل الطيفي التشتت الخلفي رايلي (RBS) على نطاق واسع في الكشف عن خطأ وتقييم الأجهزة البصرية نظرا لدقة المكانية العالية والحساسية¹⁰. صريف الألياف البصرية (FBG)^11،12 تم توزيع أجهزة استشعار سلالة تستخدم على نطاق واسع لقياس سلالة عالية الدقة¹³ لحساسيتها لدرجة الحرارة والإجهاد. من أجل رصد التغيرات في السلالة الناجمة عن العلاج بعد حقن الراتنج ، قام Sanchez وآخرون¹⁴ بتضمين مستشعر ألياف بصرية في لوحة ألياف الكربون الايبوكسي وقياس عملية السلالة الكاملة. تباين تباين التداخل التباين (DIC) هو وسيلة قياس قوية من تشوه الحقل^15،16،17 التي تستخدم على نطاق واسع وكذلك^18. من خلال مقارنة التغيرات في مستويات الرمادي السطحية المقاسة في الصور التي تم جمعها ، يتم تحليل التشوه ، ويتم حساب السلالة. واقترح تشانغ وآخرون¹⁹ طريقة تعتمد على إدخال الجسيمات المقوىوصور الاستراتيجية للحد من الفقر لتتطور من DIC التقليدية. Vogel و Lee²⁰ قيم السلالة المحسوبة باستخدام طريقة عرض اثنين تلقائية. وفي السنوات الأخيرة، مكّن ذلك من رصد الهيكل المجهري في وقت واحد وقياس السلالات في المركبات المعززة بالجسيمات. أجهزة استشعار سلالة التقليدية قياس فعال فقط سلالة في اتجاه واحد. اقترح Zymelka وآخرون²¹ مستشعر إجهاد مرن متعدد الاتجاهات يحسن طريقة قياس السلالة التقليدية من خلال الكشف عن التغيرات في مقاومة أجهزة الاستشعار. من الممكن أيضًا قياس السلالة باستخدام المواد البيولوجية أو الكيميائية. على سبيل المثال ، هيدروجيلس التوصيل الأيوني ة هي بديل فعال لاستشعار السلالة / اللمس بسبب خصائصها الجيدة للشد والحساسية العالية^22،23. الجرافين والمركبات لها خصائص ميكانيكية ممتازة وتوفير التنقل الناقل عالية جنبا إلى جنب مع piezoresistivity جيدة^24،25،26. ونتيجة لذلك، وقد استخدمت على نطاق واسع أجهزة استشعار سلالة المستندة إلى الجرافين في رصد صحة الجلد الإلكترونية، والالكترونيات التي يمكن ارتداؤها، وغيرها من المجالات^27،28.

في هذا العمل ، يتم تقديم قياس الإجهاد المفاهيمي باستخدام مجهر البوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) ونظام التضخيم. يختلف الجهاز عن مقياس السلالة التقليدي لأنه لا يتطلب أسلاكًا أو توصيلات كهربائية. وعلاوة على ذلك، يمكن ملاحظة التشرد مباشرة. يمكن وضع آلية التضخيم في أي مكان على الجسم المختبر ، مما يزيد بشكل كبير من تكرار القياسات. في هذه الدراسة ، تم إجراء جهاز استشعار ومكبر للصوت سلالة من قبل تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد قمنا أولاً بتحسين الطابعة ثلاثية الأبعاد لزيادة كفاءتها لتلبية متطلباتنا. تم تصميم جهاز قذف كروي ليحل محل الطارد التقليدي أحادي المادة الذي يتحكم فيه برنامج التقطيع لإكمال تحويل الفوهات المعدنية والبلاستيكية. تم تغيير منصة صب المقابلة، وتم دمج جهاز استشعار الإزاحة (مكبر للصوت) وجهاز القراءة (مجهر PDMS).

Protocol

1- تجميع آلية التضخيم

1. بناء منصة تجريبية بما في ذلك طابعة 3D محسنة ، ومؤشر قياس سلالة ، وجهاز القيادة ، وإطار الدعم ، وشريط الألومنيوم ، وعدسة PDMS ، والهاتف الذكي ، والأوزان ، ومكبر للصوت المطبوعة(الشكل التكميلي 1)، وقياس سلالة ، كما هو موضح في الشكل 1.
2. تعيين ارتفاع كل طبقة في الطابعة في 0.05 ملم للنايلون و 0.2 ملم لABS. تعيين قطر رأس الطباعة إلى 0.2 ملم في كلتا الحالتين. ضبط درجة حرارة الفوهة إلى 220 درجة مئوية للنايلون و 100 درجة مئوية لABS. وأخيرا، تعيين سرعة الطباعة إلى 2000 ملم / دقيقة للنايلون و 3500 ملم / دقيقة لABS.
3. ضبط اتجاه رأس البثق الكروي بحيث تواجه فوهة معدنية منصة درجة الحرارة المنخفضة وطباعة كفاف لضمان البثق العادي، كما هو مبين في الشكل 2.
4. شنق النايلون وABS على العمود. يجب أن تدخل الواجهة الأمامية حاوية لفائف الطباعة ليتم إذابتها فوهة معدنية.

2. تجميع المجهر PDMS

1. باستخدام التحريك المغناطيسي، مزيج السلائف PDMS وعامل المعالجة للحصول على نسبة الوزن من 10:1.
2. ضع الخليط في المزيل لمدة 40 دقيقة لإزالة الفقاعات وصب الخليط المزيل في حاوية PDMS من رأس البثق الكروي.
3. قم بتدوير رأس البثق الكروي والمنصة بحيث تواجه الفوهة البلاستيكية منصة درجة الحرارة العالية.
4. تعيين زيادة فوهة البلاستيك إلى 50 ميكرولتر. ضع الطرف السفلي من جهاز ماصة 20 ملم²⁹ بعيدا عن القالب باستخدام دوران فوهة ومحرك السائر في المحور Z.
5. بدوره على لوحة ساخنة لتسخين منصة درجة الحرارة العالية. يتم التحكم في درجة حرارة المنصة عن طريق مقياس حرارة الأشعة تحت الحمراء غير ملامسة.
   ملاحظة: اختبرت هذه الدراسة درجات حرارة 140 درجة مئوية و160 درجة مئوية و180 درجة مئوية و200 درجة مئوية و220 درجة مئوية و240 درجة مئوية.
6. اضغط على حاوية PDMS لطباعة عدسة PDMS.
7. تبريد عدسة PDMS لدرجة حرارة الغرفة وإزالته مع ملاقط المطاط.
8. حدد المعلمات الهندسية للعدسة، بما في ذلك زاوية الاتصال، ونصف قطر الانحناء، وقطر القطرة، باستخدام محلل شكل ثلاثي الأبعاد.

3. قياس سلالة لتحميل الاختبارات في مجموعات التحكم والاختبار

1. استخدام شريط مصنوع من الألومنيوم 6063 T83 كما شعاع cantilever. يجب أن يكون طول وعرض وسماكة شعاع الكانتيليفر 380 مم × 51 مم × 3.8 مم، على التوالي. إصلاح نهاية واحدة إلى طاولة العمليات مع البراغي والمكسرات.
2. رسم الصليب في المركز و 160 ملم من نهاية حرة من شعاع cantilever.
3. لإزالة طبقة أكسيد على شعاع cantilever، تلميع سطحه مع الصنفرة غرامة قبل لصق. يجب أن يكون اتجاه الطحن حوالي 45 درجة من اتجاه شبكة أسلاك قياس السلالة. استخدام القطن الصوف غارقة في الأسيتون لمسح سطح شعاع cantilever وسطح عجينة قياس سلالة.
4. قم بتوصيل جهاز القيادة ومؤشر قياس الإجهاد. تشغيل الطاقة. استخدام مقياس سلالة شنت على سطح مركز شريط الألومنيوم في نهايته الثابتة لقياس التغيرات سلالة.
5. إصلاح الوزن القياسي إلى نهاية حرة من شعاع cantilever للسيطرة على مدخلات قوة مركزة. اقرأ البيانات باستخدام مؤشر مقياس السلالة التقليدي ة مع طريقة اتصال ربع جسر.
6. استبدل مقياس السلالة بمضخمات ABS والنايلون في نفس الموقع.
7. قم بتوصيل عدسة PDMS بكاميرا الهاتف الذكي باستخدام مستشعر 8 ميجابكسل على مسافة تركيز 29 مم. ضبط البعد البؤري للكاميرا حتى يتم الحصول على صورة واضحة. قراءة إزاحة المؤشر باستخدام المجهر PDMS.
8. كرر الخطوات 3.5 و 3.6، مع تعيين التحميل إلى 1 N و 2 N و 3 N و 4 N و 5 N في كل مرة.

4- تحليل العناصر المحدودة

1. إنشاء نماذج عناصر 3D محدودة من النايلون وABS أجزاء لقياس سلالة (انظر جدول المواد للبرامج المستخدمة). استيراد شعاع cantilever وآلية تضخيم في المكتبة المادية للبرنامج ومحاكاة مواضعها.
2. تحليل الخصائص الميكانيكية لمؤشر آلية تضخيم تحت عمل شعاع cantilever.
3. توليد المنسل للاستخدام في نماذج هندسية ثلاثية الأبعاد باستخدام عناصر رباعية الهيدرال مع حجم عنصر دقيق. صقل المفصلات المرنة، وخاصة المفصلات بين المؤشر والهيئات الأخرى.
   ملاحظة: كان Moduli الشباب من مرونة المستخدمة للألمنيوم والنايلون وABS 69 GPa، 2 GPa، و 2.3 GPa، على التوالي. وكانت نسب بواسون المستخدمة للألمنيوم والنايلون وABS 0.33 و 0.44 و 0.394 على التوالي.
4. تطبيق قوة مركزة من 1 N إلى وسط الطرف الحر من شعاع cantilever. كرر مع 2 N، 3 N، 4 N، و 5 N.

النتائج

عندما زادت درجة حرارة المنصة ، انخفض قطر القطرة ونصف قطر الانحناء ، في حين زادت زاوية الاتصال(الشكل 3). ولذلك، ازداد البعد البؤري لـ PDMS. ومع ذلك ، بالنسبة لدرجات حرارة المنصة فوق 220 درجة مئوية ، لوحظ وقت علاج قصير جدًا في القطرات ، ولم تتمكن من التمدد في شكل محدب للطائرة. ويمكن...

Discussion

تطور إزاحة الإخراج خطياً مع تركيز القوة في الطرف الحر من شعاع الكانتيليفر وكان متسقاً مع محاكاة FEA. وكانت حساسية مكبرات الصوت 36.55 ± 0.53 ميكرور/ميكرومتر للنايلون و36.03 ± 1.34 ميكرور/ميكرومتر للABS. وأكدت الحساسية المستقرة جدوى وفعالية النماذج الأولية السريعة لأجهزة الاستشعار عالية الدقة باستخدا...

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.