Name: application of design aspects in uniaxial loading machine development
Uploaded: 2018-09-19T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development at JoVE.com

Questo lavoro è stato supportato dalla nazionale istituti salute NIDCR [DE022664].

Nota: Il dispositivo finito è illustrato nella Figura 2. Il dispositivo consente il test uniassiale puro degli esemplari in posizione orizzontale.
1. componenti
<ol><li>Preparare due attuatori programmabili con una corsa di 30 mm (1,2 in) ogni attuatore capace di spanning 60 mm (2,3 pollici) quando programmato per tirare/spingere insieme. Per accomodare una varietà di usi potenziali, selezionati attuatori avendo una ragionevole capacità [67 N (15 libbre)] di ...

<ol>
	<li>. ASTM E4-16. Standard practices for force verification of testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2016)</li><li>. ASTM E2309/E2309M-16. Standard practices for verification of displacement measuring systems and devices used in materials testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2016)</li><li>. ASTM E2428-15a. Standard practice for calibration and verification of torque transducers Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2015)</li><li>. ASTM E2624-17. Standard practice for torque calibration of testing machines Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2017)</li><li>. ASTM C39 &#8211; Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2018)</li><li>. ASTM A370-17a. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2017)</li><li>. ASTM D4761-13. Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2013)</li><li>Green, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+properties+of+cheese,+cheese+analogues+and+protein+gels+in+relation+to+composition+and+microstructure.">Mechanical properties of cheese, cheese analogues and protein gels in relation to composition and microstructure.</a> Food Structure. 5 (1), 169-192 (1986).</li><li>. ASTM D76/D76M-11. Standard specification for tensile testing machines for textiles Available from: <a target="_blank" href="https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html">https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html</a> (2011)</li><li>Papini, M., Zdero, R., Schemitsch, E. H., Zalzal, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+biomechanics+of+human+femurs+in+axial+and+torsional+loading:+comparison+of+finite+element+analysis,+human+cadaveric+femurs,+and+synthetic+femurs.">The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 129 (1), 12-19 (2007).</li><li>Poulet, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intermittent+applied+mechanical+loading+induces+subchondral+bone+thickening+that+may+be+intensified+locally+by+contiguous+articular+cartilage+lesions.">Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions.</a> Osteoarthritis and Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).</li><li>Li, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Osteoblasts+subjected+to+mechanical+strain+inhibit+osteoclastic+differentiation+and+bone+resorption+in+a+co-culture+system.">Osteoblasts subjected to mechanical strain inhibit osteoclastic differentiation and bone resorption in a co-culture system.</a> Annals of Biomedical Engineering. 41 (10), 2056-2066 (2013).</li><li>Huang, A. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+and+use+of+a+novel+bioreactor+for+regeneration+of+biaxially+stretched+tissue-engineered+vessels.">Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels.</a> Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).</li><li>Keyes, J. T., Haskett, D. G., Utzinger, U., Azhar, M., Van de Geest, J. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Adaptation+of+a+planar+microbiaxial+optomechanical+device+for+the+tubular+biaxial+microstructural+and+macroscopic+characterization+of+small+vascular+tissues.">Adaptation of a planar microbiaxial optomechanical device for the tubular biaxial microstructural and macroscopic characterization of small vascular tissues.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 133 (7), 075001 (2011).</li><li>Brown, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Techniques+for+mechanical+stimulation+of+cells+in+vitro:+A+review.">Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro: A review.</a> Journal of Biomechanics. 33 (1), 3-14 (2000).</li><li>. Zaber Console software download Available from: <a target="_blank" href="https://www.zaber.com/zaber-software">https://www.zaber.com/zaber-software</a> (2018)</li><li>King, J. D., York, S. L., Saunders, M. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design,+fabrication+and+characterization+of+a+pure+uniaxial+microloading+system+for+biologic+testing.">Design, fabrication and characterization of a pure uniaxial microloading system for biologic testing.</a> Medical Engineering and Physics. 38 (4), 411-416 (2016).</li><li>Saunders, M. M., Donahue, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+cost-effective+loading+machine+for+biomechanical+evaluation+of+mouse+transgenic+models.">Development of a cost-effective loading machine for biomechanical evaluation of mouse transgenic models.</a> Medical Engineering and Physics. 26 (7), 595-603 (2004).</li></ol>

L'obiettivo di questo lavoro era di progettare e fabbricare un caricatore monoassiale affidabile e conveniente per l'uso con campioni su piccola scala come tessuto e fibre. Un dispositivo è stato costruito che soddisfaceva i requisiti stabiliti mentre anche essere abbastanza flessibile nella progettazione per consentire nuovi allegati da fabbricati come l'utente ha bisogno di crescere. Ad esempio, il dispositivo vi permetterà per la prova dei campioni di asciutti e bagnati in una configurazione monoassiale o fisso-fine...

Prove meccaniche ha una storia interessante che può essere fatta risalire al apparecchiatura sviluppata da Stanley Rockwell nei primi del Novecento di collaudo di durezza. Mentre la tecnologia è cresciuta al punto che le pratiche standard, documentate tutto guidano dalla verifica delle prestazioni della macchina per le linee guida per lo svolgimento di test specifici1,2,3, 4. oggi, prove meccaniche sono eseguite su tutto, dai materiali da costruzione come cemento, acciaio e legno per alimentari e tessili prodotti5,6,7,8,9 . Dato che i campi di ingegneria biomedica e, più specificamente, biomeccanica utilizzano prove meccaniche, macchine di caricamento sono all'ordine del giorno nei laboratori di biomeccanica.
Carico macchine esegue l'intervallo di scala in biomeccanica. Ad esempio, macchine di carico più grandi possono essere utilizzati per condurre studi di impatto di tutto il corpo o determinare le proprietà meccaniche femorale umano, durante il caricamento più piccola macchine possono essere utilizzati per testare le ossa murine o stimolare cellule10,11, 12,13,14. Due tipi di macchine di caricamento si trovano nel laboratorio di analisi; quelli che vengono acquistati in commercio e quelli creati dall'utente. Macchine di caricamento sviluppati internamente sono spesso favoriti per loro opzioni per la personalizzazione e la personalizzazione15.
In fase di test, un campione è fissato nella macchina affinché possa essere applicato uno spostamento, generando una forza misurabile. Se il carico viene utilizzato come il feedback di guida, la prova è a carico controllato; Se lo spostamento viene utilizzato come il feedback di guida, il test è di spostamento-controllato. Macchine di caricamento, in generale, sono costruiti su un telaio che si connette un mover a un supporto fisso. Come tale, test in genere comporta un'estremità del provino viene spostato mentre l'altra estremità rimane fissa.
Illustrato nella Figura 1 è uno schizzo di una macchina di caricamento semplice dimostrando le sue componenti fondamentali. Fondamentale per tutte le macchine di caricamento è una base o un frame. Considerando che la stragrande maggioranza dei marchi commerciali utilizza una base fissa, il disegno rappresenta una piattaforma che permette il movimento di planare (XY). Il mover, in questo caso, è il braccio che tiene una cella di carico ed è azionato da un motore passo-passo. Fissato al telaio sono gli apparecchi che tenere l'esemplare e determinano il tipo di test che viene eseguito. Mostrato nel disegno sono apparecchi di tre punti curva. Il fissaggio superiore (singolo contatto) è montato su braccio mobile; il fissaggio del fondo (il doppio contatto) è montato alla base del ferma. Durante il test, il motore aziona l'apparecchio superiore verso il basso per cui il contatto centrale si impegna l'esemplare. Come il contatto si aggancia l'esemplare, la cella di carico registra l'aumento nella resistenza o la forza imposti l'esemplare.
Ci sono occasioni dove le macchine sono progettate e costruite internamente per compire un movimento non raggiungibile con le macchine esistenti in laboratorio. Qui descriviamo in dettaglio uno di questi dispositivi. È una piattaforma di carico che consente puro monoassiale caricamento del provino o uguale e contraria del movimento ad entrambe le estremità. Il dispositivo incorpora celle di carico commerciale e attuatori (motori); un frame è lavorato per tenere le parti commerciali e gli impianti di caricamento per campione test. Comprendere i principi fondamentali della costruzione di macchine test possono aiutare nella progettazione della propria macchina. Abbiamo fornito i file di disegno che abbiamo creato come punto di partenza per assistere i ricercatori con il loro proprio sviluppo della macchina. Il video si concentrerà sull'Assemblea del dispositivo e l'applicazione dei principi di progettazione meccanica per garantire l'allineamento e prove affidabili.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="590">
	<tbody>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Power supply, 24 V DC 2.5 A out, 100-240 V AC in, plug for North America&#160;</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">PS05-24V25</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">6 pin mini din-male to female PS/2 extension cable</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">T-DC06</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="65">
			<td height="65" style="height:65px;width:216px;">Stepper motor controller, 2 phase</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td style="width:119px;">A-MCA</td>
			<td style="width:167px;"></td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;width:216px;">Linear actuator, NEMA size 11, 30 mm travel, 58 N maximum continuous thrust</td>
			<td style="width:88px;">Zaber Technologies inc</td>
			<td>NA11B30</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="63">
			<td height="63" style="height:63px;width:216px;">Corrosion resistant maintenance-Free Ball Bearing Carriages and Guide Rails</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td>9184T31</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">6061-t6 Aluminum Stock</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Plexiglas Stock</td>
			<td style="width:88px;">McMaster-Carr</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:216px;">Canister load cell, 4.5N</td>
			<td style="width:88px;">Honeywell Sensotec</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:216px;">USB to 6 pin mini-din</td>
			<td style="width:88px;">Universal&#160;</td>
			<td style="width:119px;">NA</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

application of design aspects in uniaxial loading machine development

In termini di prove meccaniche accurate e precise, le macchine funzionano il continuum. Considerando che le piattaforme commerciali offrono eccellente precisione, possono essere costi proibitivi, spesso un prezzo nella fascia di prezzo $100.000 - $200.000. A altro estremo sono dispositivi stand-alone manuale che spesso mancanza di ripetibilità e precisione (ad esempio, un dispositivo manuale a manovella). Tuttavia, se è indicato un uso singolo, è sovra-ingegneria progettazione e macchina qualcosa di eccessivamente elaborati. Tuttavia, ci sono occasioni dove le macchine sono progettate e costruite internamente per compire un movimento non raggiungibile con le macchine esistenti in laboratorio. Uno di questi dispositivi è descritto in dettaglio qui. È una piattaforma di caricamento che consente di puro carico uniassiale. Macchine di caricamento standard sono in genere biassiale in quanto carico lineare si verifica lungo l'asse e carico rotante attorno all'asse. Durante i test con queste macchine, è applicato un carico a un'estremità del provino mentre l'altra estremità rimane fissa. Questi sistemi non sono in grado di condurre test assiale puro in cui trazione/compressione si applica ugualmente alle estremità dei campioni. La piattaforma sviluppata in questa carta consente l'uguale e contraria caricamento degli esemplari. Mentre può essere utilizzato per la compressione, qui il focus è sul suo uso nella pura trazione carico. Il dispositivo incorpora celle di carico commerciale e attuatori (motori) e, come è il caso con macchine costruite internamente, una cornice è lavorata per tenere le parti commerciali e gli impianti per il test.

Al fine di verificare l'utilizzo del sistema, prove di velocità e le prestazioni dell'azionatore sono stati condotti17. Questi test hanno consistito di misurare la velocità dell'azionatore e distanza rispetto ai valori di input. Per verificare l'esattezza di distanza di viaggio del campione, sono stati selezionati arbitrario percorrere distanze lungo l'asta tra 254-2540 µm (0,01 - 0,10 in). Il dispositivo è stato eseguito per queste distanze e rispetto alla dis...

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Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

Qui presentiamo un protocollo per sviluppare una macchina di puro carico uniassiale. Aspetti di progettazione critici sono impiegati per garantire risultati test accurati e riproducibili.

Applicazione degli aspetti di progettazione nello sviluppo della macchina di carico uniassiale

In terms of accurate and precise mechanical testing, machines run the continuum. Whereas commercial platforms offer excellent accuracy, they can be ...

Le informazioni contenute in questo video hanno lo scopo di spiegare alcuni degli aspetti più importanti dello sviluppo di piattaforme di carico meccanico. Le informazioni sono destinate ai ricercatori che potrebbero essere interessati a sviluppare le proprie piattaforme, ma che non hanno familiarità con alcuni dei principi di base coinvolti. Questo video ha lo scopo di dimostrare le due caratteristiche chiave coinvolte nello sviluppo di una piattaforma di test affidabile, in particolare, assemblaggio e smontaggio riproducibili e allineamento accurato.A dimostrare l'assemblaggio della piattaforma sarà il signor Robby Thoerner. Robby Thoerner ha recentemente conseguito la laurea presso l'Università di Akron, presso il nostro dipartimento di ingegneria biomedica nella pista di biomeccanica. L'obiettivo è assemblare il dispositivo di test.Ecco un esempio di un dispositivo assemblato che ha due attuatori, celle di carico e un telaio per supportarli. Raccogliere le parti per costruire il dispositivo. Utilizzare due attuatori programmabili, ciascuno con una corsa di 30 millimetri, 60 millimetri quando si lavora insieme.Margherita catena gli attuatori per sincronizzarli per uguale estensione e retrazione. Quindi, preparare due celle di carico adatte a spazi ristretti. Per sostenere gli attuatori, preparare un carrello per ciascuno di essi insieme a un binario.Creare la base da calcio in alluminio. Tagliare un pezzo alle dimensioni appropriate e utilizzare un mulino per lavorare la piastra in base alle specifiche. Lavorare due piastre laterali secondo le specifiche.I due dovrebbero specchiarsi l'un l'altro, e ognuno dovrebbe avere uno slot e fori forati per ospitare la rotaia. Forare e toccare le facce inferiori delle piastre laterali. Montare le piastre laterali nella pista sulla base.Assicurarsi che i punti di montaggio per la rotaia siano vicini l'uno all'altro. Fissare le piastre laterali alla piastra di base da sotto. Quindi, fissare la rotaia al binario utilizzando i fori di gioco e i fori praticati in ogni piastra laterale.Al termine, la rotaia collega le due piastre laterali e le carrozze scivolano sulla rotaia. Passare al lavoro con i supporti per gli attuatori. Utilizzare il calcio a forma di L per lavorare un attacco di montaggio posteriore e una barra da attaccare alla parte inferiore del supporto.In questo modo viene creata una chiave per l'allineamento nella traccia. Avvitare la barra nella parte inferiore del supporto. A questo punto, ottenere l'attuatore selezionato per l'esperimento.Fissare il supporto posteriore al corpo dell'attuatore utilizzando il modello di foro nell'attuatore. La serie di fori nella piastra laterale consente di regolare la posizione di montaggio. Fissare la base del supporto al telaio per fissare l'attuatore posteriore.Utilizzare due viti per fissarlo. Duplicare i passaggi per montare un attuatore su ciascuna delle piastre laterali. Ottenere le parti per sostenere la parte anteriore dell'attuatore.Una parte è un pezzo a forma di L con un foro per un connettore affusolato. Sul suo lato c'è una pista per ospitare un piatto. La piastra per questa pista ha anche una pista per ospitare gli infissi e garantire l'allineamento.Lavorare una parte cilindrica in alluminio per collegare la cella di carico e l'attuatore. Lavorare una parte cilindrica rastrettata in alluminio per collegare la cella di carico all'apparecchio e al carrello. Passare il cilindro nel foro del supporto dell'attuatore anteriore e utilizzare una vite impostata per ancorare l'estremità del cilindro.Ora, lavora con gli infissi per i supporti anteriori. Per le regolazioni verticali, lavorare uno slot verticale centrale nel supporto dell'apparecchio. Fissare il supporto anteriore dell'attuatore alla piastra laterale rettangolare, con i fori allineati verticalmente al centro.Ecco l'assieme completato per il supporto anteriore su un lato. Duplicare i passaggi per montare sia gli attuatori sinistro che destro del dispositivo. Si tratta di set di dati rappresentativi dai test di carico annodati 25,4 millimetri 2-0 suture fino al fallimento.La curva del trattino grigio rappresenta i risultati del dispositivo descritto in questo protocollo, utilizzando una velocità di caricamento di 0,61 millimetri al secondo. La curva nera rappresenta i risultati di un dispositivo a estremità fissa che utilizza una doppia velocità di caricamento o 1,22 millimetri al secondo. In tutti i test, il guasto si è verificato al nodo e le misurazioni non hanno mostrato alcuna differenza statistica tra i dispositivi.Nella progettazione di una macchina di carico, è sempre importante progettare tenendo presente l'allineamento. Concentrarsi sull'allineamento farà in modo che i risultati siano riproducibili e accurati e che tu stia testando i tuoi campioni in modo appropriato. In questo video, abbiamo cercato di dimostrare alcuni degli aspetti più importanti della progettazione delle macchine di carico.Se si comprendono alcuni di questi principi di base, è possibile applicarli nello sviluppo di piattaforme per le proprie esigenze di test.

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