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

Este trabalho foi apoiado pelo NIDCR de saúde institutos nacionais [DE022664].

Nota: O dispositivo acabado é mostrado na Figura 2. O dispositivo permite testes uniaxial puro de espécimes na posição horizontal.
1. componentes
<ol><li>Prepare dois atuadores programáveis com uma viagem de 30 mm (1,2 pol) por atuador capaz de 60 mm (2,3 pol) de abrangência quando programado para puxar/empurrar juntos. Para acomodar uma variedade de usos potenciais, selecionados atuadores tendo uma razoável força capacidade [67 N (15 lb)], impulso [58 N...

<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>

O objetivo deste trabalho foi projetar e fabricar um carregador uniaxial econômico e confiável para seu uso com amostras em pequena escala, tais como tecidos e fibras. Um dispositivo foi construído que atendidos os requisitos estabelecidos, apesar de também ser flexível o suficiente no projeto para permitir novos anexos para ser fabricado como o usuário precisa crescer. Por exemplo, o dispositivo permitirá para o teste de espécimes de secos e molhados em uma configuração uniaxial ou fixo-final.
<p class="jo...

Teste mecânico tem uma história interessante que pode ser rastreada até Equipamento desenvolvido por Stanley Rockwell no início do século XX de ensaio de dureza. Enquanto a tecnologia tem crescido na medida em que práticas padrão, documentadas tudo guia de verificação do desempenho da máquina para as orientações para a realização de testes específicos1,2,3, 4. hoje, os ensaios mecânicos são conduzidos em tudo, desde materiais como concreto, aço e madeira, alimentos e têxtil produtos5,6,7,8,9 . Dado que os campos da engenharia biomédica e, mais especificamente, biomecânica utilizam testes mecânicos, máquinas de carregamento são comuns em laboratórios de biomecânica.
Carregamento de máquinas executadas o intervalo de escala em biomecânica. Por exemplo, máquinas de carregamento maiores podem ser usadas para realizar estudos de impacto de corpo inteiro ou determinar propriedades mecânicas femorais humanas, enquanto a menor carga de máquinas podem ser usadas para testar murino ossos ou estimular células10,11, 12,13,14. Dois tipos de máquinas de carregamento são encontrados no laboratório de testes; aqueles que são adquiridos comercialmente e aqueles que são criados pelo usuário. Máquinas de carregamento desenvolvidas em casa muitas vezes são favorecidas por suas opções de personalização e customização15.
Em testes, um espécime é garantido na máquina para que um deslocamento pode ser aplicado, gerando uma força mensurável. Se a carga for usada como o feedback de condução, o teste é controlado por carga; Se o deslocamento for usado como o feedback de condução, o teste é controlado por deslocamento. Máquinas de carregamento, em geral, são construídas sobre um quadro que se conecta a um motor a um suporte fixo. Como tal, testes geralmente envolve uma extremidade da amostra sendo movida enquanto do outro lado permanece fixo.
Mostrado na Figura 1 é um esboço de uma máquina de carregamento simples demonstrando seus componentes básicos. Fundamental para todas as máquinas de carregamento é uma base ou quadro. Considerando que a grande maioria das marcas comerciais utiliza uma base fixa, o desenho retrata uma plataforma que permite planar movimento (XY). O motor, neste caso, é a parte superior do braço que contém uma célula de carga e é impulsionado por um motor de passo. Anexado ao quadro são os dispositivos elétricos que detém o espécime e ditam o tipo de teste que é executado. Na figura são dispositivos elétricos de curva de três pontos. A fixação superior (o único contato) é montada com o braço em movimento; a fixação do fundo (o contato duplo) é montada na base estacionária. Durante os testes, o motor conduz a fixação superior para baixo, para onde o contact center contrata o espécime. Como o contato se envolve o espécime, célula de carga registra o aumento na resistência ou a força colocada sobre o espécime.
Há ocasiões onde as máquinas são projetadas e construídas internamente para realizar um movimento não atingível com as máquinas existentes no laboratório. Aqui descrevemos detalhadamente um tal dispositivo. É uma plataforma de carregamento que permite puro espécime uniaxial carregando ou igual e oposta de movimento em ambas as extremidades. O dispositivo inclui células de carga comercial e atuadores (motores); um frame é usinado para segurar as peças comerciais e dispositivos elétricos de carregamento para a amostra de teste. Compreender os princípios básicos da construção de máquina testes pode auxiliar na concepção da própria máquina. Temos desde os arquivos de desenho que criamos como ponto de partida para ajudar os investigadores com seu próprio desenvolvimento de máquina. O vídeo irá focar a montagem do dispositivo e a aplicação dos princípios de projeto mecânico para garantir o alinhamento e teste de confiança.

<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

Em termos exatos e precisos testes mecânicos, máquinas executar o continuum. Considerando que as plataformas comerciais oferecem excelente precisão, podem ser financeiramente inviável, muitas vezes um preço na faixa de preço de US $100.000 - $200.000. No outro extremo são dispositivos autônomos manuais que muitas vezes falta de repetibilidade e precisão (por exemplo, um dispositivo manual de manivela). No entanto, se uma única utilização é indicada, é excesso engenharia para projeto e máquina algo excessivamente elaborado. Todavia, há ocasiões onde as máquinas são projetadas e construídas internamente para realizar um movimento não atingível com as máquinas existentes no laboratório. Descrito em detalhes aqui, é um tal dispositivo. É uma plataforma de carregamento que permite o carregamento uniaxial puro. Máquinas de carregamento padrão normalmente são biaxial carregamento linear ao longo do eixo e o carregamento giratório ocorre sobre o eixo. Durante o teste com estas máquinas, uma carga é aplicada a uma extremidade da amostra, enquanto a outra extremidade permanece fixa. Estes sistemas não são capazes de conduzir testes axial pura em que tensão/compressão é aplicada igualmente para as extremidades do espécime. A plataforma desenvolvida neste artigo permite que o igual e oposta a carregar de espécimes. Enquanto ele pode ser usado para compressão, aqui o foco é sobre a sua utilização em pura elasticidade a carregar. O dispositivo inclui células de carga comercial e atuadores (motores) e, como é o caso com máquinas construídas internamente, um frame é usinado para segurar as peças comerciais e dispositivos elétricos para testes.

A fim de verificar a utilização do sistema, testes de velocidade e desempenho do atuador foram realizados17. Estes testes consistiam em medir a velocidade do atuador e a distância em comparação com os valores de entrada. Para verificar a precisão de distância de viagem de amostra, distâncias de viagens arbitrário ao longo do eixo entre 2540-254 µm (0,01 - 0,10 pol) foram selecionadas. O dispositivo foi executado para estas distâncias e em comparação co...

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Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

Aqui nós apresentamos um protocolo para desenvolver uma máquina de carregamento uniaxial puro. Aspectos de concepção crítica são empregados para garantir resultados de testes precisos e reprodutíveis.

Aplicação de aspectos do Design no desenvolvimento de máquina de carregamento Uniaxial

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

As informações deste vídeo visam explicar alguns dos aspectos mais importantes do desenvolvimento de plataformas mecânicas de carregamento. As informações são destinadas a pesquisadores que possam estar interessados em desenvolver suas próprias plataformas, mas não estão familiarizados com alguns dos princípios básicos envolvidos. Este vídeo destina-se a demonstrar as duas principais características envolvidas no desenvolvimento de uma plataforma de teste confiável, especificamente, montagem e desmontagem reprodutíveis e alinhamento preciso.Demonstrando a montagem da plataforma será o Sr. Robby Thoerner. Robby Thoerner recebeu recentemente sua graduação na Universidade de Akron, do nosso departamento de engenharia biomédica na área de biomecânica. O objetivo é montar o dispositivo de teste.Aqui está um exemplo de um dispositivo montado que tem dois atuadores, células de carga e um quadro para apoiá-los. Reúna as peças para construir o dispositivo. Use dois atuadores programáveis, cada um com 30 milímetros de viagem, 60 milímetros quando trabalharem juntos.Daisy acorrenta os atuadores para sincronizá-los para igual extensão e retração. Em seguida, prepare duas células de carga adequadas para espaços confinados. Para apoiar os atuadores, prepare um vagão para cada um deles, juntamente com um trilho.Crie a base a partir do estoque de alumínio. Corte uma peça no tamanho apropriado e use um moinho para máquina da placa de acordo com as especificações. Máquina duas placas laterais de acordo com as especificações.Os dois devem se espelhar, e cada um deve ter um slot e furos perfurados para acomodar o trilho. Fure e toque nas faces inferiores das placas laterais. Monte as placas laterais na pista na base.Certifique-se de que os pontos de montagem para o trilho estão próximos um do outro. Aperte as placas laterais na placa base por baixo. Em seguida, fixe o trilho na pista usando seus orifícios de desembaraço e os furos perfurados em cada placa lateral.Quando feito, o trilho conecta as duas placas laterais e os vagões deslizam sobre o trilho. Passe para trabalhar com as montagens para os atuadores. Use o estoque em forma de L para máquina de um acessório de montagem traseira e uma barra para anexar à parte inferior do suporte.Isso cria uma chave para o alinhamento na pista. Enrosque a barra na parte inferior da montagem. Neste ponto, obtenha o atuador selecionado para o experimento.Conecte o suporte traseiro ao corpo do atuador usando o padrão de orifício no atuador. A série de orifícios na placa lateral permite que a posição de montagem seja ajustada. Coloque a base do suporte no quadro para fixar o atuador traseiro.Use dois parafusos para fixá-lo. Duplique as etapas para montar um atuador em cada uma das placas laterais. Pegue as peças para apoiar a frente do atuador.Uma parte é uma peça em forma de L com um orifício para um conector afilado. De lado está uma pista para acomodar uma placa. A placa desta pista também tem uma pista para acomodar as luminárias e garantir o alinhamento.Máquina uma peça cilíndrica de alumínio para conectar a célula de carga e o atuador. Máquina uma peça cilíndrica cônica de alumínio para conectar a célula de carga à luminária e ao transporte. Passe o cilindro para o orifício da montagem do atuador dianteiro e use um parafuso definido para ancorar a extremidade do cilindro.Agora, trabalhe com as luminárias para as montagens dianteiras. Para ajustes verticais, máquina um slot vertical central no suporte de fixação. Conecte o suporte frontal do atuador à placa lateral retangular, com os orifícios verticalmente alinhados em seu centro.Aqui está a montagem completa para a montagem frontal de um lado. Duplique as etapas para montar tanto os atuadores esquerdo quanto direito do dispositivo. Estes são conjuntos de dados representativos do teste de carga atado 25,4 milímetros 2-0 suturas até a falha.A curva de traço cinza representa resultados do dispositivo descrito neste protocolo, usando uma taxa de carregamento de 0,61 milímetros por segundo. A curva preta representa resultados de um dispositivo de extremidade fixa usando uma taxa de carregamento dupla, ou 1,22 milímetros por segundo. Em todos os testes, ocorreu falha no nó, e as medições não mostraram diferença estatística entre os dispositivos.Ao projetar uma máquina de carregamento, é sempre importante projetar mantendo o alinhamento em mente. Focar no alinhamento garantirá que seus resultados sejam reprodutíveis e precisos e que você esteja testando suas amostras adequadamente. Neste vídeo, tentamos demonstrar alguns dos aspectos mais importantes do projeto de máquinas de carregamento.Se você entender alguns desses princípios básicos, você pode aplicá-los no desenvolvimento de plataformas para suas próprias necessidades de teste.

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