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 trabajo fue financiado por los institutos nacionales salud NIDCR [DE022664].

Nota: El aparato terminado se muestra en la figura 2. El dispositivo permite ensayos uniaxiales puro de las muestras en posición horizontal.
1. componentes
<ol><li>Preparar dos actuadores programables con un recorrido de 30 mm (1,2 in) por actuador capaz de expansión 60 mm (2,3 pulg) cuando está programado a sacarlos juntos. Para acomodar una variedad de usos potenciales, seleccionarlos actuadores tener una razonable capacidad [67 N (15 lb)] de la fuerza, emp...

<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. 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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>

El objetivo de este trabajo fue diseñar y fabricar un cargador uniaxial rentable y confiable para su uso con pequeñas muestras como tejidos y fibras. Un dispositivo fue construido que cumplían con los requisitos establecidos al mismo tiempo suficientemente flexible en el diseño para permitir nuevos aditamentos ser fabricado como aumenten las necesidades del usuario. Por ejemplo, el dispositivo permitirá la prueba de especímenes secos y mojados en una configuración monoeje o final fijo.
...

Ensayos mecánicos tiene una interesante historia que se remonta a durómetros equipo desarrollado por Stanley Rockwell a principios del siglo XX. Mientras que la tecnología ha crecido en la medida en que las prácticas estándar, documentadas todo guían de verificación de funcionamiento de la máquina a las directrices para llevar a cabo pruebas específicas1,2,3, 4. hoy en día, se realizan ensayos mecánicos sobre todo desde la construcción de materiales como concreto, acero y madera para alimentos y textiles productos5,6,7,8,9 . Dado que los campos de la ingeniería biomédica y, más concretamente, biomecánica utilizan pruebas mecánicas, carga de máquinas son habituales en los laboratorios de biomecánica.
Carga de máquinas que funcionan la gama de escala en biomecánica. Por ejemplo, máquinas de carga más grandes pueden utilizarse para realizar estudios de impacto de cuerpo completo o determinar propiedades mecánicas femorales humanos, mientras que menor carga máquinas pueden utilizarse para probar los huesos murinos o estimular las células10,11, 12,13,14. Dos tipos de máquinas de carga se encuentran en el laboratorio de ensayos; aquellos que se adquieren comercialmente y las que son construidas por el usuario. Máquinas de carga desarrolladas a menudo están favorecidas por sus opciones de personalización y el arreglo para requisitos particulares15.
En la prueba, una muestra se fija en la máquina para que puede aplicarse un desplazamiento, genera una fuerza medible. Si la carga se utiliza como la regeneración de la conducción, la prueba es controlado por carga; Si el desplazamiento se utiliza como la regeneración de la conducción, la prueba es controlada por el desplazamiento. En general, carga de máquinas, se construyen sobre un armazón que conecta un motor a un soporte fijo. Como tal, prueba generalmente consiste en un extremo de la probeta se mueve mientras que el otro extremo permanece fijo.
Se muestra en la figura 1 es un esquema de una máquina de carga simple demostrando sus componentes básicos. Fundamental para todas las máquinas de carga es una base o marco. Mientras que la gran mayoría de marcas comerciales utiliza una base fija, el dibujo representa una plataforma que permite el movimiento planar de (XY). El motor, en este caso, es la parte superior del brazo que tiene una célula de carga y es impulsado por un motor paso a paso. Unido a la estructura son los accesorios que sujetan al espécimen y dictan el tipo de prueba que se ejecuta. Se muestra en el dibujo son accesorios de la curva de tres puntos. La unidad superior (el único contacto) está montada sobre el brazo móvil; el accesorio de fondo (doble contacto) está montado a la base fija. Durante la prueba, el motor conduce el accesorio superior hacia abajo a donde el contacto del centro dedica a la muestra. Como el contacto activa a la muestra, la celda de carga registra el aumento en la resistencia o la fuerza sobre la muestra.
Hay ocasiones donde las máquinas están diseñadas y construidas en casa para lograr un movimiento no alcanzable con las máquinas existentes en el laboratorio. Aquí describimos en detalle un tal dispositivo. Es una plataforma de carga que permite puro uniaxial muestras carga o igual y opuesta de movimiento en ambos extremos. El dispositivo incorpora células de carga comercial y actuadores (motores); un marco se trabaja a máquina para sostener las piezas comerciales y accesorios de carga para el espécimen de prueba. Puede ayudar a entender los principios básicos de la construcción de la máquina pruebas en el diseño de la propia máquina. Hemos proporcionado los archivos de dibujos que hemos creado como punto de partida para ayudar a los investigadores con su propio desarrollo de la máquina. El vídeo se centrará en el conjunto del dispositivo y la aplicación de principios de diseño mecánico para asegurar la alineación y pruebas confiables.

<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

En términos exactos y precisos ensayos mecánicos, máquinas de funcionamiento continuo. Mientras que las plataformas comerciales ofrecen excelente precisión, pueden ser prohibitiva, cotizado a menudo en la gama de precio $100.000 - $200.000. En el otro extremo son dispositivos manuales independientes a menudo falta de repetibilidad y precisión (por ejemplo, un dispositivo de manivela manual). Sin embargo, si se indica un solo uso, es sobre-ingeniería de diseño y elaboración de algo demasiado la máquina. Sin embargo, hay ocasiones donde las máquinas están diseñadas y construidas en casa para lograr un movimiento no alcanzable con las máquinas existentes en el laboratorio. Describe en detalle aquí, es un dispositivo de este tipo. Es una plataforma de carga que permite carga uniaxial puro. Máquinas de carga estándar por lo general son biaxiales que carga lineal ocurre a lo largo del eje y carga rotatoria se produce sobre el eje. Durante la prueba con estas máquinas, se aplica una carga a un extremo de la muestra mientras que el otro extremo permanece fijo. Estos sistemas no son capaces de llevar a cabo pruebas axial pura en que la tensión/compresión se aplica igualmente a los extremos de la muestra. La plataforma desarrollada en este trabajo permite la igual y opuesta carga de muestras. Mientras que puede ser utilizado para la compresión, aquí el enfoque es sobre su uso en pura resistencia de carga. El dispositivo incorpora células de carga comercial y actuadores (motores) y, como es el caso con máquinas construidas en el local, un marco se trabaja a máquina para sostener las piezas comerciales y accesorios para la prueba.

Con el fin de verificar el uso del sistema, pruebas de velocidad y el rendimiento del actuador fueron realizados17. Estas pruebas consisten en medir la velocidad del actuador y distancia en comparación con los valores de entrada. Para verificar la exactitud de distancia de viaje de muestra, se seleccionaron arbitrario recorrido distancias a lo largo del eje entre 2540 254 μm (0.01 - en 0,10). El dispositivo fue hasta estas distancias y Comparado con la distancia ...

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Application of Design Aspects in Uniaxial Loading Machine Development

Aquí presentamos un protocolo para desarrollar una máquina pura de carga uniaxial. Aspectos críticos de diseño se emplean para asegurar resultados exactos y reproducibles de las pruebas.

Aplicación de aspectos de diseño en el desarrollo de la máquina de carga Uniaxial

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

La información de este vídeo tiene como objetivo explicar algunos de los aspectos más importantes del desarrollo de plataformas de carga mecánica. La información está destinada a investigadores que pueden estar interesados en desarrollar sus propias plataformas, pero que no están familiarizados con algunos de los principios básicos involucrados. Este video está destinado a demostrar las dos características clave implicadas en el desarrollo de una plataforma de prueba confiable, específicamente, el montaje y desmontaje reproducible, y la alineación precisa.Demostrando el montaje de la plataforma estará el Sr.Robby Thoerner. Robby Thoerner recibió recientemente su licenciatura en la Universidad de Akron, de nuestro departamento de ingeniería biomédica en la vía biomecánica. El objetivo es ensamblar el dispositivo de prueba.Aquí está un ejemplo de un dispositivo ensamblado que tiene dos actuadores, células de carga, y un marco para soportarlos. Reúna las piezas para construir el dispositivo. Utilice dos actuadores programables, cada uno con 30 milímetros de recorrido, 60 milímetros cuando trabajen juntos.Daisy encadena los actuadores para sincronizarlos para una extensión y retracción iguales. A continuación, prepare dos celdas de carga adecuadas para espacios confinados. Para apoyar los actuadores, prepare un carro para cada uno de ellos junto con un riel.Cree la base a partir de material de aluminio. Corte una pieza al tamaño adecuado y utilice un molino para mecanizar la placa según las especificaciones. Máquina dos placas laterales de acuerdo con las especificaciones.Los dos deben reflejarse entre sí, y cada uno debe tener una ranura y agujeros perforados para acomodar el riel. Taladre y toque las caras inferiores de las placas laterales. Monte las placas laterales en la pista en la base.Asegúrese de que los puntos de montaje del riel estén cerca uno del otro. Fije las placas laterales a la placa base desde abajo. A continuación, fije el riel a la vía utilizando sus orificios de separación y los orificios perforados en cada placa lateral.Cuando se hace, el riel conecta las dos placas laterales y los vagones se deslizan sobre el riel. Pase a trabajar con los soportes para los actuadores. Utilice material en forma de L para mecanizar un accesorio de montaje trasero y una barra para fijar a la parte inferior del soporte.Esto crea una clave para la alineación en la pista. Atornille la barra en la parte inferior del soporte. En este punto, obtenga el actuador seleccionado para el experimento.Fije el soporte trasero al cuerpo del actuador utilizando el patrón de orificio en el actuador. La serie de orificios en la placa lateral permite ajustar la posición de montaje. Fije la base del soporte al bastidor para fijar el actuador trasero.Utilice dos tornillos para fijarlo. Duplique los pasos para montar un actuador en cada una de las placas laterales. Obtenga las piezas para apoyar la parte delantera del actuador.Una parte es una pieza en forma de L con un orificio para un conector cónico. En su lado hay una pista para acomodar una placa. La placa para esta pista también tiene una pista para acomodar los accesorios y asegurar la alineación.Mecaniza una pieza cilíndrica de aluminio para conectar la célula de carga y el actuador. Mecaniza una pieza cilíndrica cónica de aluminio para conectar la célula de carga al accesorio y al carro. Pase el cilindro al orificio del soporte del actuador delantero y utilice un tornillo de fijación para anclar el extremo del cilindro.Ahora, trabaje con los accesorios para los soportes delanteros. Para ajustes verticales, mecanice una ranura vertical central en el soporte del accesorio. Fije el soporte frontal del actuador a la placa lateral rectangular, con los orificios alineados verticalmente en su centro.Aquí está el conjunto completado para el montaje frontal en un lado. Duplica los pasos para montar los actuadores izquierdo y derecho del dispositivo. Estos son conjuntos de datos representativos de pruebas de carga anudadas suturas de 25,4 milímetros 2-0 hasta el error.La curva de guión gris representa los resultados del dispositivo descrito en este protocolo, utilizando una velocidad de carga de 0,61 milímetros por segundo. La curva negra representa los resultados de un dispositivo de extremo fijo utilizando una velocidad de carga doble, o 1,22 milímetros por segundo. En todas las pruebas, el error ocurrió en el nudo, y las mediciones no mostraron ninguna diferencia estadística entre los dispositivos.Al diseñar una máquina de carga, siempre es importante diseñar teniendo en cuenta la alineación. Centrarse en la alineación se asegurará de que sus resultados sean reproducibles y precisos y que esté probando sus muestras adecuadamente. En este vídeo, hemos tratado de demostrar algunos de los aspectos más importantes del diseño de máquinas de carga.Si entiende algunos de estos principios básicos, puede aplicarlos en el desarrollo de plataformas para sus propias necesidades de prueba.

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