Sign In

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • Representative Results
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

חיתוך בצורת Y מודד קשקשי אורך רלוונטיים לשבר ואנרגיות בחומרים רכים. מנגנונים קודמים תוכננו למדידות ספסל. פרוטוקול זה מתאר את הייצור והשימוש במנגנון המכוון את ההתקנה אופקית ומספק את יכולות המיקום העדינות הדרושות לצפייה באתר , בתוספת כימות כשלים, באמצעות מיקרוסקופ אופטי.

Abstract

חיתוך בצורת Y הוכח לאחרונה כשיטה מבטיחה שבאמצעותה ניתן להבין את סולם אורך הסף ואנרגיית הכשל של חומר, כמו גם את תגובת הכשל שלו בנוכחות אנרגיית עיוות עודפת. מנגנון הניסוי ששימש במחקרים אלה היה בכיוון אנכי ודרש צעדים מסורבלים כדי להתאים את הזווית בין הרגליים בצורת Y. הכיוון האנכי אוסר על ויזואליזציה במיקרוסקופים אופטיים סטנדרטיים. פרוטוקול זה מציג מנגנון חיתוך בצורת Y המורכב אופקית מעל שלב קיים במיקרוסקופ הפוך, ניתן לכוונן אותו בשלושה ממדים (X-Y-Z) כך שיתאים לשדה הראייה של המטרה, ומאפשר שינוי קל של הזווית בין הרגליים. שתי התכונות האחרונות חדשות עבור טכניקה ניסיונית זו. המנגנון המוצג מודד את כוח החיתוך בדיוק של 1 mN. בעת בדיקת פולידימתילסילוקסאן (PDMS), חומר הייחוס לטכניקה זו, נמדדה אנרגיית חיתוך של 132.96 J/m 2 (זווית רגל של 32°, טעינה מראש של 75 גרם) ונמצא כי היא נופלת בטעות של מדידות קודמות שנלקחו עם מערך אנכי (132.9 J/m 2 ± 3.4 J/m2). הגישה חלה על חומרים סינתטיים רכים, רקמות או ביו-ממברנות ועשויה לספק תובנות חדשות לגבי התנהגותם במהלך כישלון. רשימת החלקים, קבצי CAD וההוראות המפורטות בעבודה זו מספקים מפת דרכים ליישום קל של טכניקה רבת עוצמה זו.

Introduction

מכניקת הרצף הלא ליניארי סיפקה עדשה קריטית שדרכה ניתן להבין את ריכוז האנרגיה המוביל לכשל במוצקים רכים1. עם זאת, החיזוי המדויק של כשל זה דורש גם תיאורים של המאפיינים המיקרו-מבניים התורמים ליצירת פני שטח חדשים בקצה הסדק 2,3. שיטה אחת לגשת לתיאורים כאלה היא באמצעות הדמיה באתרו של קצה הסדק במהלך כישלון 4,5. עם זאת, קהות סדקים בבדיקות שבר טיפוסיות בשדה רחוק הופכת את רכישת הנתונים באתרם למאתגרת על ידי פיזור החומר המעוות מאוד, שעשוי להיות מחוץ לשדה הראייה של המיקרוסקופ6. חיתוך בצורת Y מציע חלופה....

Protocol

1. התאמה וייצור של חלקים הניתנים לשינוי ומתכלים

  1. השתמשו בחותך לייזר או במדפסת תלת-ממד כדי לייצר לשוניות ABS או אקריליק חד-פעמיות שמתאימות לרוחב רגלי הדגימה, B1 ו-B2 (7.5 מ"מ x 7.5 מ"מ עבור דגימה של 1.5 ס"מ x 7 ס"מ x 3 מ"מ) (איור 1B ואיור 2D). יש צורך בשתי כרטיסיות לכל מבחן, אחת לכל רגל.
  2. תפס סכין גילוח
    הערה: המידות המדויקות של תפס סכין הגילוח הנדרש תלויות בעומק סכין הגילוח שבו נעשה שימוש.
    1. שנה את עיצוב ה- CAD (ראה רשימת חומרים) תפס להב. SLDPRT (קובץ קידוד משלים 1) על-ידי שינוי רוחב בסיס התפס כך שהמרחק מקצה סכין הגילוח שנבחר לחלק האח....

Representative Results

הפרמטרים המשמשים במהלך שלב 4 ושלב 6 והנתונים שנאספו במהלך שלב 6 ושלב 9 משתלבים כדי להניב את אנרגיית החיתוך של הדגימה. על פי Eqn. 1, קביעת אנרגיית החיתוך דורשת את הפרמטרים הבאים: עובי הדגימה, t, כוח העמסה מראש, fpre, והזווית בין הרגליים לציר החיתוך, θ. נדרשים גם הנתונים הבאים: כוח החיתו.......

Discussion

מנגנון החיתוך האופקי בצורת Y שדווח כאן מאפשר יכולות הדמיה באתרו יחד עם קלות שימוש משופרת בטכניקת כשל זו. המנגנון כולל עיצוב מודולרי/נייד להרכבה/פירוק מהירים ממיקרוסקופ וכוונון רציף ומראש של זווית הרגל. כל קבצי ה- CAD, החומרים והנהלים הנדרשים נכללו כדי להקל על יישום שיטה זו. במקרים רבים (?.......

Disclosures

למחברים אין מה לחשוף.

Acknowledgements

ברצוננו להודות לד"ר ג'יימס פיליפס, ד"ר איימי ווגונר-ג'ונסון, אלכסנדרה שפיצר ואמיר אוסטדי על עצתם בעבודה זו. המימון הגיע ממענק סטארט-אפ שניתן על ידי המחלקה למדעי מכונות והנדסה באוניברסיטת אילינוי אורבנה-שמפיין. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid ו- C. Walsh קיבלו כולם קרדיט עיצוב בכיר על עבודתם בפרויקט זה.

....

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
Buy Parts
1" OD PulleyMcMaster Carr3434T75Pulley for Wire Rope (Larger)
100 g Micro Load CellRobotShopRB-Phi-203
1K ResistorDigi-KeyCMF1.00KFGCT-ND1 kOhms ±1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film
1M ResistorDigi-KeyRNF14FAD1M001 MOhms ±1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film
3/8" OD PulleyMcMaster Carr3434T31Pulley for Wire Rope
4" Clear Protractor with Easy Read MarkingsS&S WorldwideLR3023
BreadboardECEBN/A
IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIPDigi-KeyLTC1051CN8#PBF-ND
M2 x 0.4 mm NutMcMaster Carr90592A075Steel Hex Nut
M2 x 0.4 mm x 25 mmMcMaster Carr91292A03218-8 Stainless Steel Socket Head Screw
M2 x 0.4 mm x 8 mmMcMaster Carr91292A83218-8 Stainless Steel Socket Head Screw
M3 x 0.5 mm x 15 mmMcMaster Carr91290A572Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M3 x 0.5 mm x 16 mmMcMaster Carr91294A134Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw
M3 x 0.5 mm, 4 mm HighMcMaster Carr90576A102Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
M4 x 0.7 mm NutMcMaster Carr90592A090Steel Hex Nut
M4 x 0.7 mm x 15 mmMcMaster Carr91290A306Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 16 mmMcMaster Carr91294A194Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw
M4 x 0.7 mm x 18 mmMcMaster Carr91290A164Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 20 mmMcMaster Carr91290A168Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 20 mmMcMaster Carr92581A270Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw
M4 x 0.7 mm x 30 mmMcMaster Carr91290A172Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm x 50 mmMcMaster Carr91290A193Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M4 x 0.7 mm, 5 mm HighMcMaster Carr94645A101High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
M5 x 0.8 mm NutMcMaster Carr90592A095Steel Hex Nut
M5 x 0.8 mm x 16 mmMcMaster Carr91310A123High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw
M5 x 0.8 mm x 35 mmMcMaster Carr91290A195Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw
M5 x 0.8 mm, 13 mm Head DiameterMcMaster Carr96445A360Flanged Knurled-Head Thumb Nut
M5 x 0.8 mm, 5 mm HighMcMaster Carr90576A104Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut
SolidworksDassault SystemesCAD software
Wiring KitECEBN/A
XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding TableOpticsFocusN/A
Make Parts
Angle adjustment system- arm3D Printingsolidworks: arms_arm_single.SLDPRT
QTY: 2
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- arms stationary3D Printingsolidworks: arms_stationary.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- link3D Printingsolidworks: arms_arm_link.SLDPRT
QTY: 2
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- slider3D Printingsolidworks: arms_slider.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Angle adjustment system- spacer3D Printingsolidworks: arms_front_spacer.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Clip- Blade clip3D Printingsolidworks: Blade clip.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fine/0.1 mm layer height
Clip- Blade clip mount3D Printingsolidworks: Blade clip mount.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fine/0.1 mm layer height
Frame arm3D Printingsolidworks: frame arm.SLDPRT
QTY: 2
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Mounting platformLaser Cut Acrylicsolidworks: mounting platform.SLDPRT
QTY: 1
Pulley arm (left)3D Printingsolidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Pulley arm (right)3D Printingsolidworks: pulley arm.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Clamp3D Printingsolidworks: Clamp.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Sample holder3D Printingsolidworks: Sample holder.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Sample holder and tab- Tab3D Printingsolidworks: Tab.SLDPRT
QTY: 2 per test
Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim
Vertical adjust system- Inner slide3D Printingsolidworks: Inner slide.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height
Vertical adjust system- Outer slide3D Printingsolidworks: Outer slide.SLDPRT
QTY: 1
Setting: Fast/0.2 mm layer height

References

  1. Long, R., Hui, C. -. Y. Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation - A review. Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).
  2. Slootman, J., et al.

Reprints and Permissions

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

Request Permission

Explore More Articles

191

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Research

Education

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved