使用改进的 3D 打印机生产应变测量设备

摘要

本工作提供了一个应变测量传感器，由扩增机制和使用改进的3D打印机制造的聚二甲基硅氧烷显微镜组成。

摘要

传统的应变测量传感器需要电气化，并且易受电磁干扰。为了解决传统应变片操作中模拟电信号的波动问题，本文提出了一种新的应变测量方法。它使用摄影技术通过放大机构指针位移的变化来显示应变变化。在智能手机相机中增加了一个焦距为7.16毫米的视觉聚二甲基硅氧烷（PDMS）镜头，以生成一个镜头组，作为显微镜拍摄图像。其等效焦距为5.74毫米。丙烯酰胺苯乙烯（ABS）和尼龙放大器用于测试不同材料对传感器性能的影响。放大器和 PDMS 镜头的生产基于改进的 3D 打印技术。将所得数据与有限元分析结果进行比较，验证其有效性。ABS放大器的灵敏度为36.03 ± 1.34 μ/μm，尼龙放大器的灵敏度为36.55 ± 0.53 μ/μm。

引言

在现代工业中，获得轻而强的材料尤为重要。在使用^1、2期间，材料的特性在受到应力、压力、扭转和弯曲振动的影响。因此，材料的应变测量对于分析其耐久性和故障排除使用非常重要。这种测量使工程师能够分析材料的耐久性并解决生产问题。工业中最常见的应变测量方法使用应变传感器^3。传统的铝箔传感器因其成本低^{、可靠性好}而得到广泛应用。他们测量电信号的变化，并将其转换为不同的输出信号^5，6。但是，此方法忽略了被测对象中应变轮廓的细节，并且容易受到模拟信号振动电磁干扰的噪声的影响。开发准确、高度可重复且易于重复的材料应变测量方法在工程中非常重要。因此，正在研究其他方法。

近年来，纳米材料引起了研究者的极大兴趣。为了测量小物体的应变，Osborn^{等人提出了一}种利用电子反散射（EBSD）测量3D纳米材料应变的方法。利用分子动力学，Lina^等人9号研究了石墨烯的层间摩擦应变工程。使用雷利反向散射光谱（RBS）的分布式光纤应变测量，由于其高空间分辨率和灵敏度^10，已广泛应用于故障检测和光学器件的评估。光栅光纤（FBG）11、12分布式应变传感器已广泛用于高精度应变测量^13，其灵敏度对温度和应变。为了监测树脂注入后固化引起的应变变化，桑切斯等人¹⁴日将一个光纤传感器嵌入环氧碳纤维板中，并测量了整个应变过程。差分干涉对比度（DIC）是一种强大的测量方法，对场变形15、16、17等被广泛应用。通过比较所采集图像中测得的表面灰度水平变化，分析变形，计算应变。张等人¹⁹日提出了一种依靠增强粒子和DIC图像从传统DIC进化的方法。Vogel 和 Lee²⁰使用自动双视图方法计算应变值。近年来，在颗粒增强复合材料中实现了同步的微观结构观测和应变测量。传统的应变传感器只能有效地测量一个方向的应变。Zymelka等人²¹日提出了一种全向柔性应变传感器，通过检测传感器电阻的变化，改进了传统的应变片方法。也可以使用生物或化学物质测量应变。例如，离子导电水凝胶是应变/触觉传感器的有效替代品，因为它们具有良好的抗拉性能和高灵敏度^22，23。石墨烯及其复合材料具有优异的机械性能，具有高载波流动性，具有良好的压阻性24，25，26。因此，基于石墨烯的应变传感器已广泛应用于电子皮肤健康监测、可穿戴电子等领域^27、28。

在这项工作中，提出了使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）显微镜和扩增系统的概念应变测量。该器件不同于传统的应变片，因为它不需要电线或电气连接。此外，可以直接观察到位移。放大机构可以放置在被测试物体的任何位置，这大大提高了测量的可重复性。在这项研究中，3D打印技术制造了传感器和应变放大器。我们首先改进了 3D 打印机，以提高其满足我们需求的效率。球面挤出装置被设计为取代传统的单材料挤出机，由切片软件控制，以完成金属和塑料喷嘴的转换。改变了相应的成型平台，集成了位移感应装置（放大器）和读取装置（PDMS显微镜）。

研究方案

1. 扩增机制的组装

1. 构建一个实验平台，包括改进的3D打印机，应变表指示器，驱动装置，支撑框架，铝棒，PDMS镜头，智能手机，重量，印刷放大器（补充图1）和应变片，如图1所示。
2. 将打印机每一层的高度设置为尼龙 0.05 mm，ABS 为 0.2 mm。在这两种情况下，将打印头的直径设置为 0.2 mm。将喷嘴温度设置为 220°C（用于尼龙）和 100°C（用于 ABS）。最后，将尼龙的打印速度设置为 2，000 mm/min，将 ABS 的打印速度设置为 3，500 mm/min。
3. 调整球面挤压头的方向，使金属喷嘴面向低温平台并打印轮廓，以确保正常挤压，如图2所示。
4. 将尼龙和 ABS 挂在柱子上。前端必须进入印刷线圈容器，才能被金属喷嘴熔化。

2. PDMS显微镜的组装

1. 使用磁搅拌器，混合PDMS前体和固化剂，获得10:1的重量比。
2. 将混合物放入脱气器中40分钟，以去除气泡，并将脱气混合物倒入球形挤出头的PDMS容器中。
3. 旋转球形挤压头和平台，使塑料喷嘴面向高温平台。
4. 将塑料喷嘴增量设置为 50 μL。使用喷嘴旋转和 Z 轴中的步进电机将移液器装置的底端放在离模具 20 mm²⁹的位置。
5. 打开热板加热高温平台。平台的温度由非接触式红外辐射温度计控制。
   注:本研究测试的温度为140°C、160°C、180°C、200°C、220°C和240°C。
6. 挤压 PDMS 容器以打印 PDMS 镜头。
7. 将 PDMS 镜头冷却至室温，然后用橡胶钳将其拆下。
8. 使用三维形状分析仪确定镜头的几何参数，包括接触角度、曲率半径和水滴直径。

3. 用于在控制和测试组中加载测试的应变测量

1. 使用铝 6063 T83 制成的杆作为悬臂梁。悬臂梁的长度、宽度和厚度应分别为 380 mm x 51 mm x 3.8 mm。用螺栓和螺母固定操作台的一端。
2. 在中心画一个十字架，从悬臂梁的自由端画一个160毫米的十字架。
3. 要去除悬臂梁上的氧化层，在粘贴前用细沙纸抛光其表面。磨削方向应距应变片线网的方向约 45°。使用浸在丙酮中的棉棉擦拭悬臂梁表面和应变片膏表面。
4. 连接驱动装置和应变片指示器。打开电源。使用安装在固定端铝棒中心表面上的应变片测量应变变化。
5. 将标准重量固定到悬臂梁的自由端，以控制集中力输入。使用具有四分之一桥连接方法的传统应变片指示器读取数据。
6. 在同一位置用 ABS 和尼龙放大器更换应变片。
7. 以29mm对焦距离将PDMS镜头连接到智能手机摄像头，使用800万像素传感器。调整相机焦距，直到获得清晰的图像。使用 PDMS 显微镜读取指针的位移。
8. 重复步骤 3.5 和 3.6，每次将负载设置为 1 N、2 N、3 N、4 N 和 5 N。

4. 有限元分析

1. 建立用于应变测量的尼龙和 ABS 部件的 3D 有限元模型（参见所用软件的材料表）。将悬臂梁和放大机构导入软件的材料库中，并模拟其放置位置。
2. 在悬臂梁的作用下分析放大机构指针的机械特性。
3. 使用具有精细元素大小的四面体元素生成用于 3D 几何模型的要素。优化弯曲铰链，尤其是指针与其他实体之间的铰链。
   注:用于铝、尼龙和 ABS 的弹性杨调节力分别为 69 GPa、2 GPa 和 2.3 GPa。用于铝、尼龙和 ABS 的泊森比率分别为 0.33、0.44 和 0.394。
4. 将 1 N 的集中力施加到悬臂梁自由端的中心。用 2 N、3 N、4 N 和 5 N 重复。

结果

当平台温度升高时，滴径和曲率半径减小，而接触角增加（图3）。因此，PDMS 的焦距增加。然而，对于高于220°C的平台温度，在液滴中观察到非常短的固化时间，并且不能扩展到平面凸的形状。这可以归因于在智能手机相机上粘附时连接面积低。因此，在所有测试中，只有220°C形成的软透镜作为放大镜。PDMS镜头的焦距为7.16毫米，光学功率为^140m-1。液滴直径为2.831毫?...

讨论

输出位移随着力集中在悬臂梁的自由端呈线性变化，并且与 FEA 模拟一致。放大器的灵敏度为尼龙的36.55 ± 0.53 μ/μm，ABS的灵敏度为36.03 ± 1.34 μ/μm。稳定的灵敏度证实了使用3D打印进行高精度传感器快速原型设计的可行性和有效性。放大器灵敏度高，无电磁干扰。此外，它们结构简单，体积小，重量轻。在打印过程中，必须根据多个变量（包括层厚度、喷嘴直径和进给速率）以不同方式设置不同?...

材料

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.