Produção de um dispositivo de medição de tensão com uma impressora 3D melhorada

Resumo

Este trabalho apresenta um sensor de medição de cepa composto por um mecanismo de amplificação e um microscópio de polidimetilexino fabricado usando uma impressora 3D melhorada.

Resumo

Um sensor tradicional de medição de cepa precisa ser eletrificado e é suscetível a interferência eletromagnética. Para resolver as flutuações do sinal elétrico analógico em uma operação tradicional de medidor de cepa, um novo método de medição de cepa é apresentado aqui. Ele usa uma técnica fotográfica para exibir a mudança de tensão amplificando a mudança do deslocamento do ponteiro do mecanismo. Uma lente visual de polidimetilsiloxano (PDMS) com uma distância focal de 7,16 mm foi adicionada a uma câmera de smartphone para gerar um grupo de lentes agindo como um microscópio para capturar imagens. Tinha uma distância focal equivalente de 5,74 mm. Acrilonitrile butadiene estireno (ABS) e amplificadores de nylon foram usados para testar a influência de diferentes materiais no desempenho do sensor. A produção dos amplificadores e da lente PDMS é baseada na tecnologia de impressão 3D melhorada. Os dados obtidos foram comparados com os resultados da análise de elementos finitos (FEA) para verificar sua validade. A sensibilidade do amplificador ABS foi de 36,03 ± 1,34 με/μm, e a sensibilidade do amplificador de nylon foi de 36,55 ± 0,53 με/μm.

Introdução

A obtenção de materiais leves, mas fortes, é particularmente importante na indústria moderna. As propriedades dos materiais são afetadas quando submetidas ao estresse, pressão, torção e vibração de dobra durante o uso^1,2. Assim, a medição da cepa dos materiais é importante para analisar sua durabilidade e uso de solução de problemas. Tais medidas permitem que os engenheiros analisem a durabilidade dos materiais e solucionam problemas de produção. O método de medição de cepa mais comum na indústria usa sensores de tensão³. Sensores tradicionais de papel alumínio são amplamente utilizados devido ao seu baixo custo e boa confiabilidade⁴. Eles medem as mudanças nos sinais elétricos e os convertem em diferentes sinais de saída^5,6. No entanto, este método deixa de fora os detalhes do perfil de tensão no objeto medido e é suscetível ao ruído de interferência eletromagnética vibracional com sinais analógicos. Desenvolver métodos precisos, altamente repetitivos e fáceis de medição de cepa material é importante na engenharia. Assim, outros métodos estão sendo estudados.

Nos últimos anos, os nanomateriais têm atraído muito interesse dos investigadores. Para medir a tensão em objetos pequenos, Osborn et al.^7,8 propôs um método para medir a cepa de nanomateriais 3D usando backscatter de elétrons (EBSD). Usando dinâmica molecular, Lina et al.⁹ investigaram a engenharia de tensão de atrito intercamada do grafeno. Medições distribuídas de cepa óptica usando espectroscopia de backscatter (RBS) de Rayleigh têm sido amplamente utilizadas na detecção de falhas e na avaliação de dispositivos ópticos devido à sua alta resolução espacial e sensibilidade¹⁰. A fibra óptica de grade (FBG)^11,12 sensores de tensão distribuída têm sido amplamente utilizados para a medição de cepa de alta precisão¹³ para sua sensibilidade à temperatura e à tensão. Para monitorar as alterações de tensão causadas pela cura após a injeção de resina, Sanchez et al.¹⁴ incorporaram um sensor fibraóptica em uma placa de fibra de carbono epóxi e mediu o processo completo de tensão. O contraste de interferência diferencial (DIC) é um poderoso método de medição da deformação de campo^15,16,17 que é amplamente utilizado, bem como¹⁸. Comparando as alterações dos níveis de cinza superficial medidos nas imagens coletadas, a deformação é analisada e a cepa calculada. Zhang et al.¹⁹ propuseram um método que se baseia na introdução de partículas reforçadas e imagens dic para evoluir a partir do DIC tradicional. Valores de tensão calculados vogel e Lee²⁰ usando um método automático de duas visualizações. Nos últimos anos, isso possibilitou a observação simultânea de microestrutura e medição de cepas em compósitos reforçados com partículas. Os sensores tradicionais de tensão só medem efetivamente a tensão em uma direção. Zymelka et al.²¹ propuseram um sensor de tensão flexível omnidirecional que melhora um método tradicional de medidor de cepa detectando alterações na resistência do sensor. Também é possível medir a cepa usando substâncias biológicas ou químicas. Por exemplo, os hidrogéis condutores iônicos são uma alternativa eficaz aos sensores de cepa/tátil devido às suas boas propriedades de tração e alta sensibilidade^22,23. O grafeno e seus compostos possuem excelentes propriedades mecânicas e proporcionam uma alta mobilidade portadora, juntamente com boa piezoresistividade^24,25,26. Consequentemente, os sensores de cepa à base de grafeno têm sido amplamente utilizados no monitoramento eletrônico de saúde da pele, eletrônicos vestíveis e outros campos^27,28.

Neste trabalho, é apresentada uma medição de cepa conceitual utilizando um microscópio de polidimetilsiloxano (PDMS) e um sistema de amplificação. O dispositivo é diferente de um medidor de tensão tradicional porque não requer fios ou conexões elétricas. Além disso, o deslocamento pode ser observado diretamente. O mecanismo de amplificação pode ser colocado em qualquer local do objeto testado, o que aumenta consideravelmente a repetibilidade das medidas. Neste estudo, um sensor e um amplificador de cepa foram feitos pela tecnologia de impressão 3D. Primeiro melhoramos a impressora 3D para aumentar sua eficiência para nossas necessidades. Um dispositivo de extrusão esférica foi projetado para substituir o tradicional extrusor de material único controlado pelo software de fatiamento para completar a conversão dos bicos metálicos e plásticos. A plataforma de moldagem correspondente foi alterada, e o dispositivo de detecção de deslocamento (amplificador) e o dispositivo de leitura (microscópio PDMS) foram integrados.

Protocolo

1. Montagem do mecanismo de amplificação

1. Construa uma plataforma experimental, incluindo uma impressora 3D melhorada, um indicador de medidor de tensão, um dispositivo de condução, uma estrutura de suporte, uma barra de alumínio, uma lente PDMS, um smartphone, pesos, um amplificador impresso(Figura 1 Suplementar),e um medidor de tensão, como mostrado na Figura 1.
2. Ajuste a altura de cada camada na impressora em 0,05 mm para nylon e 0,2 mm para ABS. Ajuste o diâmetro da cabeça de impressão para 0,2 mm em ambos os casos. Defina a temperatura do bico para 220 °C para nylon e 100 °C para ABS. Por fim, defina a velocidade de impressão para 2.000 mm/min para nylon e 3.500 mm/min para ABS.
3. Ajuste a orientação da cabeça de extrusão esférica para que o bico metálico enfrente a plataforma de baixa temperatura e imprima um contorno para garantir uma extrusão normal, como mostrado na Figura 2.
4. Pendure o nylon e o ABS na coluna. A extremidade dianteira deve entrar no recipiente de bobina de impressão para ser derretido pelo bico metálico.

2. Montagem do microscópio PDMS

1. Usando um agitador magnético, misture o precursor do PDMS e o agente de cura para obter uma razão de peso de 10:1.
2. Coloque a mistura no degasser por 40 min para remover bolhas e despeje a mistura desgasejada no recipiente PDMS da cabeça de extrusão esférica.
3. Gire a cabeça de extrusão esférica e a plataforma para que o bico de plástico enfrente a plataforma de alta temperatura.
4. Coloque o incremento do bocal de plástico em 50 μL. Coloque a extremidade inferior do dispositivo pipette 20 mm²⁹ longe do molde usando a rotação do bocal e o motor passo no eixo Z.
5. Ligue a placa quente para aquecer a plataforma de alta temperatura. A temperatura da plataforma é controlada por um termômetro de radiação infravermelha sem contato.
   NOTA: Este estudo testou temperaturas de 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C e 240 °C.
6. Aperte o recipiente PDMS para imprimir a lente PDMS.
7. Esfrie a lente PDMS à temperatura ambiente e remova-a com pinças de borracha.
8. Determine os parâmetros geométricos da lente, incluindo o ângulo de contato, o raio de curvatura e o diâmetro da gota, usando um analisador de forma tridimensional.

3. Medição de tensão para testes de carregamento nos grupos de controle e teste

1. Use uma barra feita de alumínio 6063 T83 como o feixe cantilever. O comprimento, largura e espessura do feixe cantilever devem ser de 380 mm x 51 mm x 3,8 mm, respectivamente. Fixe uma extremidade na mesa de operação com parafusos e porcas.
2. Desenhe uma cruz no centro e 160 mm da extremidade livre do feixe de cantilever.
3. Para remover a camada de óxido no feixe de cantilever, polir sua superfície com lixa fina antes de colar. A direção de moagem deve ser de cerca de 45° da direção da grade de arame medidor de tensão. Use lã de algodão encharcada em acetona para limpar a superfície do feixe de cantilever e a superfície da pasta medidora de tensão.
4. Conecte o dispositivo de condução e o indicador medidor de tensão. Ligue a energia. Use um medidor de tensão montado na superfície central da barra de alumínio em sua extremidade fixa para medir as alterações de tensão.
5. Fixar o peso padrão na extremidade livre do feixe de cantilever para controlar a entrada de força concentrada. Leia os dados usando um indicador convencional de medidor de cepa com um método de conexão de 40 centavos de ponte.
6. Substitua o medidor de tensão pelos amplificadores ABS e nylon no mesmo local.
7. Conecte a lente PDMS na câmera do smartphone com um sensor de 8 megapixels a uma distância de foco de 29 mm. Ajuste a distância focal da câmera até que uma imagem clara seja obtida. Leia o deslocamento do ponteiro usando o microscópio PDMS.
8. Repita os passos 3.5 e 3.6, fixando a carga para 1 N, 2 N, 3 N, 4 N e 5 N cada vez.

4. Análise de elemento finita

1. Estabeleça modelos de elemento finito 3D das peças de nylon e ABS para medição de cepa (consulte Tabela de Materiais para software usado). Importe o feixe de cantilever e o mecanismo de amplificação na biblioteca de materiais do software e simule suas posições de colocação.
2. Analise as propriedades mecânicas do ponteiro do mecanismo de amplificação a ação de um feixe de cantilever.
3. Gerar mishes para uso em modelos geométricos 3D usando elementos tetrahedrais com um tamanho de elemento fino. Refinar as dobradiças flexure, especialmente a dobradiça entre o ponteiro e os outros corpos.
   NOTA: O moduli jovem de elasticidade usado para alumínio, nylon e ABS foram 69 GPa, 2 GPa e 2,3 GPa, respectivamente. As razões de Poisson utilizadas para alumínio, nylon e ABS foram de 0,33, 0,44 e 0,394, respectivamente.
4. Aplique uma força concentrada de 1 N para o centro da extremidade livre do feixe de cantilever. Repita com 2 N, 3 N, 4 N e 5 N.

Resultados

Quando a temperatura da plataforma aumentou, o diâmetro da gota e o raio da curvatura diminuíram, enquanto o ângulo de contato aumentou(Figura 3). Portanto, a distância focal do PDMS aumentou. No entanto, para temperaturas de plataforma acima de 220 °C, um tempo de cura muito curto foi observado nas gotículas, e eles não puderam se estender em uma forma de plano-convexo. Isso pode ser atribuído à área de baixo apego ao aderir a uma câmera do smartphone. Portanto, apenas lentes mac...

Discussão

O deslocamento de saída evoluiu linearmente com a força concentrada na extremidade livre do feixe de cantilever e foi consistente com as simulações da FEA. A sensibilidade dos amplificadores foi de 36,55 ± 0,53 με/μm para nylon e 36,03 ± 1,34 με/μm para ABS. A sensibilidade estável confirmou a viabilidade e a eficácia da rápida prototipagem de sensores de alta precisão usando impressão 3D. Os amplificadores tinham alta sensibilidade e estavam livres de interferência eletromagnética. Além disso, eles t...

Materiais

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.