改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

要約

改良された3Dプリンターを用いて製造された増幅機構とポリジメチルシロキサン顕微鏡からなる歪み測定センサを紹介します。

要約

従来の歪み測定センサーは、電化が必要で、電磁干渉を受けやすい。従来の歪みゲージ動作でアナログ電気信号の変動を解決するために、新しい歪み測定方法が紹介されています。この方法では、機構のポインタ変位の変化を増幅して歪みの変化を表示する写真技術を用いる。焦点距離7.16mmの視覚ポリジメチルシロキサン(PDMS)レンズをスマートフォンカメラに加え、顕微鏡として働くレンズ群を生成して画像をキャプチャしました。それは、5.74 mmの同等の焦点距離を有し、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)とナイロンアンプは、センサ性能に異なる材料の影響をテストするために使用しました。アンプとPDMSレンズの生産は、改良された3Dプリント技術に基づいています。得られたデータを有限要素解析(FEA)の結果と比較し、その有効性を検証した。ABSアンプの感度は36.03±1.34μm/μmで、ナイロン増幅器の感度は36.55±0.53με/μmであった。

概要

光だが強い材料を得ることは、現代の産業において特に重要である。材料の特性は^{、使用中の}応力、圧力、トーション、曲げ振動を^1,2で受けた場合に影響を受けます^。そのため、材料のひずみ測定は、その耐久性を分析し、使用法をトラブルシューティングする上で重要です。このような測定により、エンジニアは材料の耐久性を分析し、生産上の問題をトラブルシューティングすることができます。業界で最も一般的な歪み測定方法は、歪みセンサ³を使用しています。従来のフォイルセンサは、低コストで信頼性の高い⁴で広く使用されています。電気信号の変化を測定し、それらを異なる出力信号^5,6に変換します。しかし、この方法では、測定対象物の歪みプロファイルの詳細が省け、アナログ信号による振動電磁干渉によるノイズの影響を受けやすくなります。正確で再現性が高く、容易な材料ひずみ測定方法の開発は、エンジニアリングにおいて重要です。したがって、他の方法が研究されている。

近年、ナノ材料は研究者から多くの関心を集めています。小物の歪みを測定するために、オスボーンら^7,8は電子後方散乱(EBSD)を用いて3Dナノ材料の歪みを測定する方法を提案した。Lina et al.⁹は分子動力学を用いてグラフェンの層間摩擦歪工学を調査した。レイリー後方散乱分光法(RBS)を用いた分散光ファイバ歪み測定は、その高い空間分解能および感度¹⁰による光デバイスの評価や故障検出に広く用いられている。グレーチング光ファイバ(FBG)11,12分散歪みセンサは、温度および歪みに対する感度の高精度歪み測定¹³に広く使用されています。樹脂注入後の硬化による歪みの変化を監視するために、Sanchez et al.¹⁴はエポキシ炭素繊維板に光ファイバーセンサーを埋め込み、完全な歪みプロセスを測定した。微差干渉コントラスト(DIC)は、フィールド変形^15、16、17の強力な測定方法であり^、18と同様に広く使用されている。収集した画像における測定された表面グレイレベルの変化を比較することにより、変形を解析し、歪みを計算する。Zhangら¹⁹は、従来のDICから進化する強化粒子およびDIC画像の導入に依存する方法を提案した。フォーゲルと Lee²⁰は、自動 2 ビュー方式を使用してひずみ値を計算しました。近年、粒子強化複合材料における微細構造観察と歪み測定を同時に実現しました。従来の歪みセンサは、一方向にのみ歪みを効果的に測定します。Zymelka et al.²¹は、センサ抵抗の変化を検出することによって従来の歪みゲージ法を改善する全方向性柔軟な歪みセンサを提案した。また、生物または化学物質を用いて歪みを測定することもできる。例えば、イオン伝導性ヒドロゲルは、その良好な引張特性および高感度^22、23による歪み/触覚センサに対する効果的な代替手段である。グラフェンとその複合材料は、優れた機械的特性を有し、良好な圧電抵抗率^24、25、26と共に高いキャリア移動性を提供する。その結果、グラフェンベースの歪みセンサは、電子皮膚健康監視、ウェアラブルエレクトロニクス、および他の分野^27、28で広く使用されている。

本研究では、ポリジメチルシロキサン(PDMS)顕微鏡と増幅系を用いた概念ひずみ測定を行う。それはワイヤーまたは電気接続を必要としないので、デバイスは従来のひずみゲージとは異なります。また、変位は直接観察することができる。増幅機構は、テスト対象物上の任意の位置に配置することができ、測定の再現性を大幅に向上させます。本研究では、3Dプリンティング技術によりセンサと歪みアンプを作りました。我々は最初に我々の要件のためのその効率を高めるために3Dプリンタを改善しました。球状押し出し装置は金属およびプラスチックノズルの転換を完了するためにスライスソフトウェアによって制御される従来の単一材料の押出機を置き換えるように設計されていた。対応する成形プラットフォームを変更し、変位検出装置(増幅器)と読み取り装置(PDMS顕微鏡)を一体化した。

プロトコル

1. 増幅機構の組み立て

1. 図1に示すように、改良された3Dプリンタ、歪みゲージインジケータ、駆動装置、支持フレーム、アルミバー、PDMSレンズ、スマートフォン、重み、印刷増幅器(補足図1)、および歪みゲージを含む実験用プラットフォームを構築する。
2. プリンタの各層の高さをナイロンの場合は 0.05 mm、ABS の場合は 0.2 mm に設定します。ナイロンの場合はノズルの温度を220°C、ABSの場合は100°Cに設定します。最後に、印刷速度をナイロンの場合は 2,000 mm/分、ABS の場合は 3,500 mm/分に設定します。
3. 図 2に示すように、金属ノズルが低温プラットフォームに向くように球状押し出しヘッドの向きを調整し、輪郭を印刷して正常な押し出しを行います。
4. ナイロンとABSをコラムに掛けます。フロントエンドは、金属ノズルで溶融する印刷コイル容器に入る必要があります。

2. PDMS顕微鏡の組み立て

1. 磁気スターラーを使用して、PDMS前駆体と硬化剤を混合し、10:1の重量比を得ます。
2. 40分間脱ガッサーに混合物を入れて気泡を除去し、球状押出ヘッドのPDMS容器に脱気を入れた混合物を注ぎます。
3. プラスチックノズルが高温プラットフォームに面するように球面押出ヘッドとプラットフォームを回転させます。
4. プラスチックノズルの増分を50 μLに設定します。ピペット装置の底端を、ノズル回転とステッパモーターをZ軸に使用して、金型から20^mm29離れた位置に配置します。
5. 高温のプラットフォームを加熱するためにホットプレートをオンにします。プラットホームの温度は非接触赤外線の温度計によって制御される。
   注:この研究では、140°C、160°C、180°C、200°C、220°C、および240°Cの温度をテストしました。
6. PDMSのレンズを印刷するためにPDMSの容器を絞る。
7. PDMSレンズを室温まで冷却し、ゴム製ピンセットで取り外します。
8. 3次元形状アナライザを使用して、接触角、曲率半径、液滴径など、レンズの幾何学的パラメータを決定します。

3. 制御およびテストグループの負荷試験のためのひずみ測定

1. 片持梁ビームとしてアルミニウム製のバー6063 T83を使用してください。片持梁ビームの長さ、幅、厚さは、それぞれ380 mm x 51 mm x 3.8 mm にする必要があります。ボルトとナットで操作テーブルに一端を固定します。
2. 中央に十字を描き、片持ち梁の自由な端から160mmを描きます。
3. 片持ち梁の酸化層を除去するには、貼り付ける前に、その表面を細かいサンドペーパーで磨きます。研削方向は、ひずみゲージのワイヤグリッドの方向から約45°でなければなりません。アセトンに浸したコットンウールを使用して、片持ち梁の表面と歪みゲージペーストの表面を拭きます。
4. 駆動装置とひずみゲージインジケータを接続します。電源を入れます。歪み変化を測定するために、固定端のアルミニウムバーの中心表面に取り付けられた歪みゲージを使用します。
5. 標準重量をカンチレバー梁の自由端に固定し、集中力入力を制御します。四半期ブリッジ接続方式で従来のひずみゲージインジケータを使用してデータを読み取ります。
6. ひずみゲージをABSアンプとナイロンアンプと同じ場所に交換してください。
7. 焦点距離29mmの8メガピクセルセンサーでPDMSレンズをスマートフォンカメラに取り付け、鮮明な画像が得られるまでカメラの焦点距離を調整します。PDMS顕微鏡を使用してポインタの変位を読み取ります。
8. ステップ 3.5 と 3.6 を繰り返し、荷重を毎回 1 N、2 N、3 N、4 N、5 N に設定します。

4. 有限要素解析

1. ひずみ測定用のナイロンおよびABS部品の3D有限要素モデルを確立します(使用するソフトウェアの材料表を参照)。片持梁ビームと増幅機構をソフトウェアのマテリアル ライブラリにインポートし、配置位置をシミュレートします。
2. カンチレバービームの作用下で増幅機構ポインタの機械的特性を解析します。
3. 細かい要素サイズの四面体要素を使用して、3D ジオメトリ モデルで使用するメッシュを生成します。屈曲ヒンジ、特にポインタと他のボディとの間のヒンジをリファインします。
   注:アルミニウム、ナイロン、およびABSに使用される弾性のヤング係数はそれぞれ69 GPa、2 GPaおよび2.3 GPaであった。アルミニウム、ナイロン、ABSに使用されるポアソン比はそれぞれ0.33、0.44、0.394でした。
4. 片持梁梁の自由端の中心に 1 N の集中力を適用します。2 N、3 N、4 N、および 5 N と繰り返します。

結果

プラットフォーム温度が上昇すると、液滴径と曲率半径が減少し、接触角が大きくなった(図3)。したがって、PDMS の焦点距離が増加しました。しかし、220°Cを超えるプラットフォーム温度では、液滴に非常に短い硬化時間が認められ、平面凸状にまで伸びることができませんでした。これは、スマートフォンのカメラに付着する場合の低い接続領域に起因することがで?...

ディスカッション

出力変位は、片持梁ビームの自由端に集中した力とともに直線的に進化し、FEA シミュレーションと一致していました。アンプの感度は、ナイロンの場合は36.55±0.53με/μm、ABSの場合は36.03±1.34με/μmでした。安定した感度により、3Dプリンティングを用いた高精度センサの迅速な試作の実現可能性と有効性が確認されました。アンプは感度が高く、電磁干渉が発生しなくて良かった。また、シ?...

資料

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.