JoVE Logo
Yazarlar
Bize Ulaşın

Oturum Aç

Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliği gereklidir. Oturum açın veya ücretsiz deneme sürümünü başlatın.

Bu Makalede

  • Özet
  • Özet
  • Giriş
  • Protokol
  • Sonuçlar
  • Tartışmalar
  • Açıklamalar
  • Teşekkürler
  • Malzemeler
  • Referanslar
  • Yeniden Basımlar ve İzinler

Özet

Bu çalışma, bir amplifikasyon mekanizması ve geliştirilmiş bir 3D yazıcı kullanılarak üretilen bir polidimelisiloksane mikroskop oluşan bir gerinim ölçüm sensörü sunar.

Özet

Geleneksel bir gerinim ölçüm sensörü elektrikli olması gerekir ve elektromanyetik girişime duyarlıdır. Geleneksel bir gerinim ölçer operasyonunda analog elektrik sinyalindeki dalgalanmaları çözmek için burada yeni bir gerinim ölçüm yöntemi sunulmaktadır. Mekanizmanın işaretçi yer değiştirme değişikliğini güçlendirerek gerinim değişimini görüntülemek için bir fotoğraf tekniği kullanır. Odak uzaklığı 7,16 mm olan görsel polidimethylsiloxane (PDMS) lens, görüntüleri yakalamak için mikroskop görevi yapan bir lens grubu oluşturmak için akıllı telefon kamerasına eklendi. 5.74 mm. Akrilonitril bütadiene stiren (ABS) ve naylon amplifikatörlerin sensör performansı üzerindeki etkisini test etmek için eşdeğer odak uzaklığı vardı. Amplifikatörler ve PDMS lens üretimi geliştirilmiş 3D baskı teknolojisine dayanmaktadır. Elde edilen veriler, geçerliliklerini doğrulamak için sonlu elemanlar analizi (FEA) sonuçları ile karşılaştırıldı. ABS amplifikatörün hassasiyeti 36.03 ± 1.34 με/μm, naylon amplifikatörün hassasiyeti 36.55 ± 0.53 με/μm idi.

Giriş

Hafif ama güçlü malzemelerin elde edilmesi modern endüstride özellikle önemlidir. Malzemelerin özellikleri kullanım sırasında stres, basınç, burulma ve bükme titreşimine maruz kaldığında etkilenir1,2. Bu nedenle, malzemelerin gerinim ölçümü dayanıklılıklarını analiz etmek ve kullanımı gidermek için önemlidir. Bu tür ölçümler, mühendislerin malzemelerin dayanıklılığını analiz etmelerini ve üretim sorunlarını gidermelerini sağlar. Endüstride en yaygın gerinim ölçüm yöntemi gerinim sensörlerikullanır 3. Geleneksel folyo sensörler yaygın olarak düşük maliyet ve iyi güvenilirlik nedeniyle kullanılır4. Elektrik sinyallerindeki değişiklikleri ölçerler ve bunları farklı çıkış sinyallerine dönüştürürler5,6. Ancak, bu yöntem ölçülen nesnedeki gerinim profilinin ayrıntılarını dışarıda bırakır ve analog sinyallerle titreşimsel elektromanyetik girişimden kaynaklanan gürültüye karşı hassastır. Mühendislikte doğru, son derece tekrarlanabilir ve kolay malzeme gerinim ölçüm yöntemleri geliştirmek önemlidir. Bu nedenle başka yöntemler de incelenmektedir.

Son yıllarda, nanomalzemeler müfettişlerin büyük ilgisini çekti. Osborn ve ark.7,8, küçük cisimler üzerindeki gerilimi ölçmek için elektron geri saçılımı (EBSD) kullanarak 3Boyutlu nanomalzemelerin gerilmesini ölçmek için bir yöntem önerdi. Moleküler dinamikleri kullanarak, Lina ve ark.9 grafenin katmanlar arası sürtünme gerinim mühendisliğini araştırdı. Rayleigh backscatter spektroskopisi (RBS) kullanılarak dağıtılan optik fiber gerinim ölçümleri, yüksek uzamsal çözünürlük ve hassasiyeti nedeniyle hata tespitinde ve optik cihazların değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır10. Izgara fiber optik (FBG)11,12 dağıtılmış gerinim sensörleri yaygın sıcaklık ve gerinim duyarlılıkları için yüksek hassasiyetli gerinim ölçümü13 için kullanılmıştır. Sanchez ve ark.14, reçine enjeksiyonundan sonra kürlemenin neden olduğu gerinim değişikliklerini izlemek için bir epoksi karbon fiber plakaya fiberoptik sensör yerleştirerek tüm gerinim işlemini ölçtü. Diferansiyel girişim kontrastı (DIC) alan deformasyonu güçlü bir ölçüm yöntemidir15,16,17 yaygın olarak kullanılan18. Toplanan görüntülerde ölçülen yüzey grisi seviyelerinin değişimleri karşılaştırılarak deformasyon analiz edilir ve gerilme hesaplanır. Zhang ve ark.19 geleneksel DIC gelişmeye güçlendirilmiş parçacıklar ve DIC görüntülerin giriş dayanan bir yöntem önerdi. Vogel ve Lee20 otomatik iki görünüm yöntemi kullanarak gerinim değerlerini hesapladı. Son yıllarda parçacık takviyeli kompozitlerde eşzamanlı mikroyapı gözlem ve gerinim ölçümü sağlanmıştır. Geleneksel gerinim sensörleri sadece tek bir yönde etkili bir şekilde gerinim ölçer. Zymelka ve ark.21, sensör direncindeki değişiklikleri algılayarak geleneksel gerinim ölçer yöntemini geliştiren çok yönlü esnek bir gerinim sensörü önerdi. Biyolojik veya kimyasal maddeler kullanılarak suş ölçmek de mümkündür. Örneğin, iyonik iletken hidrojeller iyi çekme özellikleri ve yüksek hassasiyeti nedeniyle gerinim /dokunsal sensörleriçin etkili bir alternatiftir22,23. Grafen ve kompozitmükemmel mekanik özelliklere sahip ve iyi piezoresistivity24,25,26ile birlikte yüksek taşıyıcı hareketlilik sağlar. Sonuç olarak, grafen bazlı gerinim sensörleri yaygın elektronik cilt sağlığı izleme, giyilebilir elektronik ve diğer alanlarda27,28kullanılmaktadır.

Bu çalışmada polidimethylsiloxane (PDMS) mikroskobu ve amplifikasyon sistemi kullanılarak kavramsal bir gerinim ölçümü sunulmuştur. Cihaz, tel veya elektrik bağlantısı gerektirmediği için geleneksel bir gerinim ölçerden farklıdır. Ayrıca, deplasman doğrudan görülebilir. Amplifikasyon mekanizması, ölçümlerin tekrarlanabilirliğini büyük ölçüde artıran test edilen nesnenin herhangi bir yerine yerleştirilebilir. Bu çalışmada, bir sensör ve bir gerinim amplifikatör 3D baskı teknolojisi tarafından yapılmıştır. İhtiyaçlarımız için verimliliğini artırmak için önce 3D yazıcıyı geliştirdik. Küresel ekstrüzyon cihazı, metal ve plastik nozulların dönüşümunu tamamlamak için dilimleme yazılımı tarafından kontrol edilen geleneksel tek malzemeli ekstrüzyonun yerini alacak şekilde tasarlanmıştır. İlgili kalıplama platformu değiştirildi ve yer değiştirme algılama cihazı (amplifikatör) ve okuma cihazı (PDMS mikroskobu) entegre edildi.

Protokol

1. Amplifikasyon mekanizmasının montajı

  1. Geliştirilmiş bir 3D yazıcı, bir gerinim göstergesi göstergesi, bir sürüş cihazı, destek çerçevesi, alüminyum çubuk, PDMS lens, akıllı telefon, ağırlıklar, baskılı amplifikatör(Ek Şekil 1) ve şekil 1'degösterildiği gibi bir gerinim ölçer içeren deneysel bir platform oluşturma .
  2. Yazıcıdaki her bir katmanın yüksekliğini naylon için 0,05 mm ve ABS için 0,2 mm olarak ayarlayın. Baskı kafasının çapını her iki durumda da 0,2 mm'ye ayarlayın. Nozulun sıcaklığını naylon için 220 °C'ye, ABS için 100 °C'ye ayarlayın. Son olarak, baskı hızını naylon için 2.000 mm/dk ve ABS için 3.500 mm/dak olarak ayarlayın.
  3. Küresel ekstrüzyon kafasının yönünü, metal memenin düşük sıcaklıklı platforma bakması için ayarlayın ve Şekil 2'degösterildiği gibi normal bir ekstrüzyon sağlamak için bir kontur yazdırın.
  4. Naylon ve ABS'yi sütuna asın. Ön uç, metal meme tarafından eritilecek baskı bobini kabına girmelidir.

2. PDMS mikroskobunun montajı

  1. Manyetik karıştırıcı kullanarak, 10:1 ağırlık oranı elde etmek için PDMS öncül ve kür leme maddesi karıştırın.
  2. Kabarcıkları kaldırmak ve küresel ekstrüzyon başının PDMS konteyner içine gazsız karışımı dökün 40 dakika için degasser içine karışımı yerleştirin.
  3. Küresel ekstrüzyon kafasını ve platformu plastik memenin yüksek sıcaklık platformuna bakabilmesi için döndürün.
  4. Plastik meme artışını 50°L'ye ayarlayın. Pipet cihazının alt ucunu 20 mm29'luk kalıbın alt ucunu, nozul döndürme ve Z eksenindeki step motorunu kullanarak kalıptan uzağa yerleştirin.
  5. Yüksek sıcaklıklı platformu ısıtmak için sıcak plakayı açın. Platformun sıcaklığı temassız kızılötesi radyasyon termometresi tarafından kontrol edilir.
    NOT: Bu çalışmada 140 °C, 160 °C, 180 °C, 200 °C, 220 °C ve 240 °C sıcaklıklarında test edilmiştir.
  6. PDMS lensini yazdırmak için PDMS kabını sıkın.
  7. PDMS lensi oda sıcaklığına kadar soğutun ve kauçuk cımbızla çıkarın.
  8. Üç boyutlu şekil analizörü kullanarak, temas açısı, eğrilik yarıçapı ve damlacık çapı da dahil olmak üzere lensin geometrik parametrelerini belirleyin.

3. Kontrol ve test gruplarında yükleme testleri için gerinim ölçümü

  1. Cantilever kiriş olarak alüminyum 6063 T83 yapılmış bir bar kullanın. Kantilever ışınının uzunluğu, genişliği ve kalınlığı sırasıyla 380 mm x 51 mm x 3,8 mm olmalıdır. Cıvata ve somunlarla ameliyat masasının bir ucunu düzeltin.
  2. Merkezden bir haç ve kantilever ışınının serbest ucundan 160 mm çekin.
  3. Kantilever kirişindeki oksit tabakasını çıkarmak için, yapıştırmadan önce yüzeyini ince zımpara kağıdıyla parlata. Taşlama yönü, gerinim ölçer tel ızgarayönünden yaklaşık 45° olmalıdır. Kantilever ışınının yüzeyini ve gerinim ölçer macunun yüzeyini silmek için aseton la ıslatılmış pamuk kullanın.
  4. Sürüş cihazını ve gerinim göstergesi göstergesini bağlayın. Elektriği aç. Gerinim değişikliklerini ölçmek için sabit ucundaki alüminyum çubuğun orta yüzeyine monte edilmiş bir gerinim ölçer kullanın.
  5. Konsantre kuvvet girdisini kontrol etmek için standart ağırlığı kantilever ışınının serbest ucuna sabitle. Çeyrek köprü bağlantı yöntemiyle geleneksel bir gerinim ölçer göstergesi kullanarak verileri okuyun.
  6. Gerinim ölçerini aynı konumdaki ABS ve naylon amplifikatörlerle değiştirin.
  7. 29 mm odak mesafesine 8 megapiksel sensörle PDMS lensi akıllı telefon kamerasına takın. Net bir görüntü elde edilene kadar kameranın odak uzaklığınızı ayarlayın. PDMS mikroskobu kullanarak işaretçinin yer değiştirmesini okuyun.
  8. Yükü her seferinde 1 N, 2 N, 3 N, 4 N ve 5 N olarak ayarlayarak 3,5 ve 3,6 adımlarını yineleyin.

4. Sonlu elemanlar analizi

  1. Gerinim ölçümü için naylon ve ABS parçalarının 3B sonlu eleman modellerini oluşturun (kullanılan yazılım için Malzeme Tablosu'na bakın). Cantilever ışınını ve yükseltici mekanizmasını yazılımın malzeme kitaplığına alın ve yerleşim konumlarını simüle edin.
  2. Bir cantilever ışınının hareketi altında yükseltici mekanizma işaretçisinin mekanik özelliklerini analiz edin.
  3. İnce eleman boyutuna sahip dört yüzlü elemanlar kullanarak 3B geometrik modellerde kullanılmak üzere meshe'ler oluşturun. Fleksiyon menteşelerini, özellikle işaretçi ile diğer gövdeler arasındaki menteşeyi hassaslaştırın.
    NOT: Alüminyum, naylon ve ABS için kullanılan genç elastikiyet modüllü sırasıyla 69 GPa, 2 GPa ve 2.3 GPa idi. Alüminyum, naylon ve ABS için kullanılan Poisson oranları sırasıyla 0.33, 0.44 ve 0.394 idi.
  4. Kantilever ışınının serbest ucunun ortasına 1 N'lik konsantre bir kuvvet uygulayın. 2 N, 3 N, 4 N ve 5 N ile tekrarlayın.

Sonuçlar

Platform sıcaklığı arttığında, damlacık çapı ve eğrilik yarıçapı azalırken, temas açısı artmıştır(Şekil 3). Bu nedenle, PDMS odak uzaklığı arttı. Ancak, 220 °C'nin üzerindeki platform sıcaklıkları için damlacıklarda çok kısa bir kürlenme süresi gözlendi ve düzlem-konveks şekline kadar uzanamadı. Bu, akıllı telefon kamerasına yapışırken düşük ek alanına atfedilebilir. Bu nedenle tüm testlerde sadece 220 °C'de oluşan yumuşak lensler magnif...

Tartışmalar

Çıkış deplasmanı, kantilever ışınının serbest ucunda yoğunlaşan kuvvetle doğrusal olarak gelişti ve FEA simülasyonları ile uyumluydu. Amplifikatörlerin hassasiyeti naylon için 36.55 ± 0.53 με/μm, ABS için 36.03 ± 1.34 με/μm idi. Kararlı hassasiyet, 3D baskı kullanarak yüksek hassasiyetli sensörlerin hızlı prototiplemefizliğini ve etkinliğini doğruladı. Amplifikatörler yüksek hassasiyete sahipti ve elektromanyetik parazitten arınmışlardı. Buna ek olarak, basit bir yapı, küçük...

Açıklamalar

Yazarlar çakışan bir çıkar beyan etmezler.

Teşekkürler

Bu çalışma, Çin Ulusal Bilim Vakfı (Hibe No. 51805009) tarafından mali olarak desteklenmiştir.

Malzemeler

NameCompanyCatalog NumberComments
ABSHengli dejian plastic electrical products factoryUsed for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism
Aluminum 6063 T83 barThe length, width and thickness of cantilever beam are 380 mm, 51 mm, and 3.8 mm.
ANSYSANSYSANSYS 14.5
CURAUltimakerCura 3.0Slicing softare,using with the improved 3D printer
Curing agentDow CorningPDMS and curing agent are mixed with the weight ratio of 10:1
Driving deviceXinmingtianE00
Improved 3D printer and accessoriesMade 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 6AppleMG4A2CH/A8-megapixel sensor and the equivalent focus distance is 29mm
Magenetic stirrerSCILOGEXMS-H280-Pro
NylonHengli dejian plastic electrical products factoryUsed for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism
PDMSDow CorningSYLGARDDC184After the viscous mixture is heated and hardened, it can be combined with the lens amplification device of the mobile phone for image acquisition.
Shape analyzerGltechSURFIEW 4000
SolidworksDassault SystemsSolidworks 2017Assist to modelling
VISHAY strain gaugeVishayUsed to measure the strain produced in the experiment.
VISHAY strain gauge indicatorVishayStrain data acquisition.

Referanslar

  1. Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).
  2. Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition. Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).
  3. Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
  4. Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).
  5. Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects. Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).
  6. Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors. Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).
  7. Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88 (2018).
  8. Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique. Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).
  9. Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
  10. Shingo, O. Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry. Journal of Optics Express. 24 (17), 19651 (2016).
  11. Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft. Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).
  12. Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement. Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).
  13. Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).
  14. Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors. Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).
  15. Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure. Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).
  16. Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement. Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).
  17. Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing. Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).
  18. Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids. Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).
  19. Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure. Micron. , (2019).
  20. Vogel, J. H., Lee, D. An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces. Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).
  21. Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements. Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).
  22. Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors. Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).
  23. Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues. Biomaterials. 172, 30-40 (2018).
  24. Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene. Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).
  25. Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
  26. Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing. ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).
  27. Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. Graphene-based transparent strain sensor. Carbon. 51, 236-242 (2013).
  28. Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
  29. Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy. Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005 (2015).

Yeniden Basımlar ve İzinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi

Izin talebi

Daha Fazla Makale Keşfet

M hendislikSay 155mikroskobik g zlemamplifikat rPDMS lensgerinim l m3D bask teknolojisik resel ekstr zyon kafas

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Bize Ulaşın

KÜTÜPHANEYE TAVSİYE ET

JoVE HABER BÜLTENLERİ

Araştırma

Eğitim

Yazarlar

Kütüphaneciler

JoVE Hakkında

Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır