Name: performing microscope-mounted y-shaped cutting tests
Uploaded: 2023-01-20T12:45:00
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Wir danken Dr. James Phillips, Dr. Amy Wagoner-Johnson, Alexandra Spitzer und Amir Ostadi für ihre Beratung bei dieser Arbeit. Die Finanzierung erfolgte durch den Start-up-Zuschuss des Department of Mechanical Science and Engineering der University of Illinois Urbana-Champaign. M. Guerena, J. C. Peng, M. Schmid und C. Walsh erhielten alle Senior Design Credits für ihre Arbeit an diesem Projekt.

1. Einstellung und Herstellung von Modifizier- und Verschleißteilen
<ol><li>Verwenden Sie einen Laserschneider oder 3D-Drucker, um Einweg-ABS- oder Acryl-Tabs herzustellen, die in die Breite der Probenbeine B1 und B2 passen (7,5 mm x 7,5 mm für eine 1,5 cm x 7 cm x 3 mm Probe) (Abbildung 1B und Abbildung 2D). Für jeden Test werden zwei Registerkarten benötigt, eine für jedes Bein.</li>
	<li>Rasierklingen-Clip HINWEIS: Die genauen Abmes...

<ol>
	<li>Long, R., Hui, C. -. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+tip+fields+in+soft+elastic+solids+subjected+to+large+quasi-static+deformation+-+A+review.">Crack tip fields in soft elastic solids subjected to large quasi-static deformation - A review.</a> Extreme Mechanics Letters. 4, 131-155 (2015).</li><li>Slootman, 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=Quantifying+rate-and+temperature-dependent+molecular+damage+in+elastomer+fracture.">Quantifying rate-and temperature-dependent molecular damage in elastomer fracture.</a> Physical Review X. 10, 041045 (2020).</li><li>Zhao, X., 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=Soft+materials+by+design:+Unconventional+polymer+networks+give+extreme+properties.">Soft materials by design: Unconventional polymer networks give extreme properties.</a> Chemical Review. 121 (8), 4309-4372 (2021).</li><li>Mzabi, S., Berghezan, D., Roux, S., Hild, F., Creton, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+critical+local+energy+release+rate+criterion+for+fatigue+fracture+of+elastomers.">A critical local energy release rate criterion for fatigue fracture of elastomers.</a> Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics. 49 (21), 1518-1524 (2011).</li><li>Chen, Y., Mellot, G., Van Luijk, D., Creton, C., Sijbesma, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanochemical+tools+for+polymer+materials.">Mechanochemical tools for polymer materials.</a> Chemical Society Reviews. 50, 4100-4140 (2021).</li><li>Hui, C. -. Y., Jagota, A., Bennison, S. J., Londono, J. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crack+blunting+and+the+strength+of+soft+elastic+solids.">Crack blunting and the strength of soft elastic solids.</a> Proceedings of the Royal Society A Mathematical, Physical and Engineering Science. 459 (2034), 1489-1516 (2003).</li><li>Zhang, B., Hutchens, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+relationship+between+cutting+and+tearing+in+soft+elastic+solids.">On the relationship between cutting and tearing in soft elastic solids.</a> Soft Matter. 17, 6728-6741 (2021).</li><li>Lake, G. J., Yeoh, O. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Measurement+of+rubber+cutting+resistance+in+the+absence+of+friction.">Measurement of rubber cutting resistance in the absence of friction.</a> International Journal of Fracture. 14, 509-526 (1978).</li><li>Zhang, B., Shiang, C. -. S., Yang, S. J., Hutchens, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Y-shaped+cutting+for+the+systematic+characterization+of+cutting+and+tearing.">Y-shaped cutting for the systematic characterization of cutting and tearing.</a> Experimental Mechanics. 59, 517-529 (2019).</li><li>Rivlin, R. S., Thomas, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Rupture+of+rubber.+I.+Characteristic+energy+for+tearing.">Rupture of rubber. I. Characteristic energy for tearing.</a> Journal of Polymer Science. 10 (3), 291-318 (1953).</li><li>Elices, M., Guinea, G. V., G&#243;mez, J., Planas, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+cohesive+zone+model:+Advantages,+limitations+and+challenges.">The cohesive zone model: Advantages, limitations and challenges.</a> Engineering Fracture Mechanics. 69 (2), 137-163 (2002).</li><li>Taylor, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> The Theory of Critical Distances. , (2007).</li><li>Williams, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stress+at+a+distance+fracture+criteria+and+crack+self-blunting+in+rubber.">Stress at a distance fracture criteria and crack self-blunting in rubber.</a> International Journal of Non-Linear Mechanics. 68, 33-36 (2015).</li><li>Talamini, B., Mao, Y., Anand, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Progressive+damage+and+rupture+in+polymers.">Progressive damage and rupture in polymers.</a> Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 111, 434-457 (2018).</li><li>Long, R., Hui, C. -. Y., Gong, J. P., Bouchbinder, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+fracture+of+highly+deformable+soft+materials:+A+tale+of+two+length+scales.">The fracture of highly deformable soft materials: A tale of two length scales.</a> Annual Review of Condensed Matter Physics. 12, 71-94 (2021).</li><li>Gent, A. N., Wang, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cutting+resistance+of+polyethylene.">Cutting resistance of polyethylene.</a> Journal of Polymer Science: Part B: Polymer Physics. 34 (13), 2231-2237 (1996).</li><li>Chen, X., Nadiarynkh, O., Plotnikov, S., Campagnola, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Second+harmonic+generation+microscopy+for+quantitative+analysis+of+collagen+fibrillar+structure.">Second harmonic generation microscopy for quantitative analysis of collagen fibrillar structure.</a> Nature Protocols. 7, 654-669 (2015).</li><li>Pan, B., Qian, K., Xie, H., Asundi, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Two-dimensional+digital+image+correlation+for+in-plane+displacement+and+strain+measurement:+A+review.">Two-dimensional digital image correlation for in-plane displacement and strain measurement: A review.</a> Measurements Science and Technology. 20 (6), 062001 (2009).</li></ol>

Die hier vorgestellte horizontale, Y-förmige Schneidvorrichtung ermöglicht In-situ-Bildgebungsfunktionen sowie eine verbesserte Benutzerfreundlichkeit für diese Versagenstechnik. Das Gerät verfügt über ein modulares/tragbares Design für die schnelle Montage und Demontage von einem Mikroskop und die kontinuierliche, vorjustierte Einstellung des Beinwinkels. Alle CAD-Dateien, erforderlichen Materialien und Verfahren wurden einbezogen, um die Implementierung dieser Methode zu erleichtern. In vielen Fällen (...

Die nichtlineare Kontinuumsmechanik hat eine kritische Linse geliefert, durch die die Energiekonzentration verstanden werden kann, die zum Versagen in weichen Festkörpernführt 1. Die genaue Vorhersage dieses Versagens erfordert jedoch auch Beschreibungen der mikrostrukturellen Eigenschaften, die zur neuen Oberflächenbildung an der Rissspitze 2,3 beitragen. Eine Methode, um sich solchen Beschreibungen zu nähern, ist die In-situ-Visualisierung der Rißspitze während des Versagens 4,5. Die Rissstumpfung bei typischen Fernfeld-Bruchtests macht die Erfassung von In-situ-Daten jedoch schwierig, da das stark deformierte Material möglicherweise außerhalb des Sichtfelds des Mikroskops verteiltwird 6. Das Y-förmige Schneiden bietet eine einzigartige Alternative für die mikrostrukturelle Visualisierung, da es den Bereich der starken Verformung an der Spitze eines Blatteskonzentriert 7. Darüber hinaus zeigen frühere Arbeiten unserer Gruppe, dass dieser einzigartige experimentelle Ansatz einen Einblick in die Unterschiede in der Fehlerantwort zwischen Fernfeldrissen und kontaktvermittelten Belastungsbedingungen geben kann7.
Das Y-förmige Schneidverfahren, das in der hier vorgestellten Apparatur verwendet wird, wurde erstmals vor Jahrzehnten als Schneidverfahren für Naturkautschuk8 beschrieben. Das Verfahren besteht aus einem festsitzenden Schiebeschneiden der Klinge durch eine vorgespannte Y-förmige Probe. Am Schnittpunkt des "Y" befindet sich die Rissspitze, die vor der Prüfung entsteht, indem ein Teil eines rechteckigen Stücks in zwei gleiche "Beine" geteilt wird (Abbildung 1B und Abbildung 2D). Zu den Hauptvorteilen dieses Schneidverfahrens gehören die Reduzierung der Reibungsbeiträge zur gemessenen Schnittenergie, die variable Schaufelgeometrie (d. h. die Einschränkung der Rissspitzengeometrie), die Kontrolle der Ausfallrate (über die Probenverschiebungsrate) und die getrennte Abstimmung der Schnitt-, C- und Reiß-, T-, Energiebeiträge zur Gesamtenergie G-Schnitt (d. h. Änderung der Ausfallenergie über eine Schnittschwelle hinaus)8. Die letztgenannten Beiträge werden in einem einfachen, geschlossenen Ausdruck für die Schnittenergieausgedrückt 9
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/64546/64546eq01v3.jpg" style="margin: auto;"> Gleichung (1)
, bei der experimentell ausgewählte Parameter verwendet werden, einschließlich Probendicke, t, durchschnittliche Beindehnung, <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/64546/64546eq02v2.jpg" style="margin: auto;">Vorspannkraft, fpre und der Winkel zwischen den Beinen und der Schnittachse θ. Die Schnittkraft, f-Schnitt, wird mit der Apparatur gemessen, wie in Zhang et al.9 beschrieben. Bemerkenswert ist, dass die hier vorgestellte Vorrichtung einen neuen, einfachen und genauen Mechanismus zum Einstellen des Beinwinkels θ und zum Sicherstellen der Zentrierung der Probe enthält. Während beide Funktionen für einen mikroskopmontierten Aufbau entscheidend sind, kann der Mechanismus auch zukünftigen vertikalen Implementierungen des Y-förmigen Schneidtests zugute kommen, indem er die Benutzerfreundlichkeit erhöht.
Fortschritte bei der Bestimmung der geeigneten Versagenskriterien für weiche Feststoffe sind seit dem frühen Erfolg der probenunabhängigen Bruchgeometrien, die von Rivlin und Thomas10 eingeführt wurden, im Gange. Kritische Energiefreisetzungsraten10, kohäsive Zonengesetze 11 und verschiedene Formen von Spannungs- oder Energie-at-a-Distance-Ansätzen12,13,14 wurden verwendet. Kürzlich nutzten Zhang und Hutchens den letzteren Ansatz und zeigten, dass Y-förmiges Schneiden mit ausreichend kleinen Radiusmessern Schwellenversagensbedingungen für weiche Fraktur7 ergeben könnte: eine Schwellenausfallenergie und eine Schwellenlängenskala für das Versagen, die von zehn bis zu Hunderten von Nanometern in homogenem, hochelastischem Polydimethylsiloxan (PDMS) reicht. Diese Ergebnisse wurden mit der Kontinuumsmodellierung und der Skalierungstheorie kombiniert, um eine Beziehung zwischen Schneiden und Reißen in diesen Materialien zu entwickeln und so den Nutzen des Y-förmigen Schneidens zu demonstrieren, um Einblicke in alle Arten des weichen Versagens zu erhalten. Das Verhalten vieler Materialklassen, einschließlich dissipativer und Verbundwerkstoffe, ist jedoch noch unerforscht. Es wird erwartet, dass viele von ihnen mikrostrukturgesteuerte Effekte auf Längenskalen oberhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts zeigen werden. Daher wurde in dieser Studie eine Apparatur entwickelt, die erstmals eine genaue visuelle Charakterisierung dieser Effekte während des Y-förmigen Schneidens ermöglicht (z. B. in Verbundwerkstoffen, einschließlich Weichgeweben, oder von dissipativen Prozessen, die auf den Mikrometer- bis Millimeterlängenskalen15 erwartet werden).

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Buy Parts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1&#34; OD Pulley</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>3434T75</td>
			<td>Pulley for Wire Rope (Larger)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>100 g Micro Load Cell</td>
			<td>RobotShop</td>
			<td>RB-Phi-203</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1K Resistor</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>CMF1.00KFGCT-ND</td>
			<td>1 kOhms &#177;1% 1 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Moisture Resistant, Safety Metal Film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1M Resistor</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>RNF14FAD1M00</td>
			<td>1 MOhms &#177;1% 0.25 W, 1/4 W Through Hole Resistor Axial Flame Retardant Coating, Safety Metal Film</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3/8&#34; OD Pulley</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>3434T31</td>
			<td>Pulley for Wire Rope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4&#34; Clear Protractor with Easy Read Markings</td>
			<td>S&#38;S Worldwide</td>
			<td>LR3023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Breadboard</td>
			<td>ECEB</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IC OPAMP ZERO-DRIFT 2 CIRC 8DIP</td>
			<td>Digi-Key</td>
			<td>LTC1051CN8#PBF-ND</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A075</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm x 25 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91292A032</td>
			<td>18-8 Stainless Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M2 x 0.4 mm x 8 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91292A832</td>
			<td>18-8 Stainless Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm x 15 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A572</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91294A134</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M3 x 0.5 mm, 4 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90576A102</td>
			<td>Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A090</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 15 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A306</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91294A194</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Hex Drive Flat Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 18 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A164</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 20 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A168</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 20 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>92581A270</td>
			<td>Stell Raised Knurled-Head Thumb Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 30 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A172</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm x 50 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A193</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M4 x 0.7 mm, 5 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>94645A101</td>
			<td>High-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm Nut</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90592A095</td>
			<td>Steel Hex Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm x 16 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91310A123</td>
			<td>High-Strength Class 10.9 Steel Hex Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm x 35 mm</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>91290A195</td>
			<td>Black-Oxide Alloy Steel Socket Head Screw</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm, 13 mm Head Diameter</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>96445A360</td>
			<td>Flanged Knurled-Head Thumb Nut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>M5 x 0.8 mm, 5 mm High</td>
			<td>McMaster Carr</td>
			<td>90576A104</td>
			<td>Medium-Strength Steel Nylon-Insert Locknut</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Solidworks</td>
			<td>Dassault Systemes</td>
			<td></td>
			<td>CAD software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wiring Kit</td>
			<td>ECEB</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XYZ Axis Manual Precision Linear Stage 60 mm x 60 mm Trimming Bearing Tuning Platform Sliding Table</td>
			<td>OpticsFocus</td>
			<td>N/A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Make Parts</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- arm</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_arm_single.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- arms stationary</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_stationary.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- link</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_arm_link.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- slider</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_slider.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Angle adjustment system- spacer</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: arms_front_spacer.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clip- Blade clip</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Blade clip.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Clip- Blade clip mount</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Blade clip mount.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Frame arm</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: frame arm.SLDPRT 
			QTY: 2 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounting platform</td>
			<td>Laser Cut Acrylic</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: mounting platform.SLDPRT 
			QTY: 1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulley arm (left)</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: pulley arm_Mirror.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulley arm (right)</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: pulley arm.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Clamp</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Clamp.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Sample holder</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Sample holder.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sample holder and tab- Tab</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Tab.SLDPRT 
			QTY: 2 per test 
			Setting: Fine/0.1 mm layer height, no brim</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vertical adjust system- Inner slide</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Inner slide.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vertical adjust system- Outer slide</td>
			<td>3D Printing</td>
			<td></td>
			<td>solidworks: Outer slide.SLDPRT 
			QTY: 1 
			Setting: Fast/0.2 mm layer height</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

performing microscope-mounted y-shaped cutting tests

Das Y-förmige Schneiden hat sich kürzlich als vielversprechende Methode erwiesen, um die Schwellenlängenskala und die Versagensenergie eines Materials sowie seine Versagensreaktion in Gegenwart von überschüssiger Verformungsenergie zu verstehen. Die experimentelle Apparatur, die in diesen Studien verwendet wurde, war vertikal ausgerichtet und erforderte umständliche Schritte, um den Winkel zwischen den Y-förmigen Beinen einzustellen. Die vertikale Ausrichtung verbietet die Visualisierung in herkömmlichen optischen Mikroskopen. Dieses Protokoll stellt eine Y-förmige Schneidevorrichtung vor, die horizontal über einem vorhandenen inversen Mikroskoptisch montiert wird, dreidimensional (X-Y-Z) so eingestellt werden kann, dass sie in das Sichtfeld des Objektivs fällt, und eine einfache Änderung des Winkels zwischen den Beinen ermöglicht. Die beiden letztgenannten Merkmale sind neu für diese experimentelle Technik. Die vorgestellte Apparatur misst die Schnittkraft mit einer Genauigkeit von 1 mN. Bei der Prüfung von Polydimethylsiloxan (PDMS), dem Referenzmaterial für diese Technik, wurde eine Schnittenergie von 132,96 J/m2 gemessen (32° Beinwinkel, 75 g Vorspannung) und es wurde festgestellt, dass sie innerhalb des Fehlers früherer Messungen mit vertikalem Aufbau (132,9 J/m 2 ± 3,4 J/m2) lag. Der Ansatz gilt für weiche synthetische Materialien, Gewebe oder Biomembranen und kann neue Einblicke in ihr Verhalten während des Versagens liefern. Die Liste der Teile, CAD-Dateien und detaillierten Anweisungen in dieser Arbeit bieten eine Roadmap für die einfache Implementierung dieser leistungsstarken Technik.

Die Parameter, die in Schritt 4 und Schritt 6 verwendet wurden, und die Daten, die in Schritt 6 und Schritt 9 gesammelt wurden, ergeben zusammen die Schnittenergie der Probe. Nach Gleichung 1 sind für die Bestimmung der Schnittenergie folgende Parameter erforderlich: Probendicke, t, Vorspannkraft, fpre und der Winkel zwischen den Beinen und der Schnittachse, θ. Außerdem werden folgende Daten benötigt: die Schnittkraft, derf-Schnitt und die durchschnittliche Beinbelastu...

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Performing Microscope-Mounted Y-Shaped Cutting Tests

Y-förmiges Schneiden misst bruchrelevante Längenskalen und Energien in weichen Materialien. Bisherige Geräte waren für Tischmessungen konzipiert. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und Verwendung einer Vorrichtung, die den Aufbau horizontal ausrichtet und die für die In-situ-Betrachtung erforderlichen Feinpositionierungsmöglichkeiten sowie die Fehlerquantifizierung über ein optisches Mikroskop bietet.

Durchführung von Y-förmigen Schneidtests unter dem Mikroskop

Y-shaped cutting has recently been shown to be a promising method by which to understand the threshold length scale and failure energy of a material, as ...

Y-förmiges Schneiden misst die Ausfallenergie und eine kritische Oberflächenerzeugungs-Verbindungsskala in weichen Festkörpern. Die Integration dieser Technik in ein Mikroskop erleichtert es, die mikrostrukturellen Mechanismen zu entschlüsseln, die diese Größen steuern. Im Gegensatz zu dem großen gepflanzten Riss, der für die Vorderradbelastung typisch ist, verwendet dieses Protokoll eine platteninduzierte Dehnungslokalisierung, um das Sichtfeld zu reduzieren, das für die Abbildung des inneren Versagensprozesses erforderlich ist.Der Ansatz kann Aufschluss über das Versagen von weichen synthetischen Materialien und biologischem Weichgewebe geben. Ersetzen Sie zunächst den originalen Objektträgerhalter durch einen benutzerdefinierten Probenhalter und befestigen Sie die Baugruppe am Mikroskop. Stellen Sie den Winkel des Bechers ein, indem Sie die Rändelschraube lösen und dann den linearen Schlitten bewegen.Stellen Sie den Winkel ein, nachdem Sie ihn mit einem Winkelmesser gemessen haben, und ziehen Sie die Rändelschraube fest. Der Winkel zwischen dem Bein und dem Theta der Probenmitte kann von 8 bis 45 Grad eingestellt werden. Stellen Sie die beiden vertikalen Riemenscheiben hinter der Apparatur auf.Bereiten Sie eine dünne rechteckige Probe von Polydimethylsiloxan oder PDMS vor, indem Sie sie entweder von einem größeren Blatt schneiden oder eine Form mit den richtigen Abmessungen verwenden. Die Abmessungen können variieren, aber eine Breite von 1 1/2 Zentimeter oder weniger für eine Probe mit einer Dicke von drei Millimetern oder weniger wird empfohlen. Verwenden Sie eine Rasierklinge, um die Probe drei Zentimeter längs entlang der Mittellinie zu schneiden, um die Y-förmige Probe zu erzeugen.Diese Verbindung kann variieren, aber die Beine sollten lang genug sein, um die Laschen aufzunehmen, aber kurz genug, um eine ungeschnittene Probe für die Messung zu lassen. Platzieren Sie mit einem Marker oder einer Tinte zwei Markierungen zentriert und etwa einen Zentimeter voneinander entfernt auf jedem der dünnen Beine und dem Körper der Probe, um die aufgetragene Dehnung in jedem der drei Probenbeine unter Last zu messen. Verwenden Sie klebstoffartigen Cyanacrylat-Kleber, um eine 3D-gedruckte oder lasergeschnittene Lasche am Ende jedes Beines zu befestigen.Messen und schneiden Sie zwei Längen dünner Angelschnur. Etwa 30 Zentimeter Leine werden für die interne Führung durch den Mechanismus zu den externen Riemenscheiben benötigt. Befestigen Sie Fünf-Gramm-Wägeplatten am Ende der Leitungen, die durch die äußeren Riemenscheiben verlaufen, und binden Sie das andere Ende an die Lasche an jedem Bein.Klemmen Sie die Basis der Probe mit der Rändelschraube des Probenhalters und führen Sie die Leitung für jedes Bein durch jede Seite des Riemenscheibensystems. Machen Sie ein Foto der Probe von oben, während die Probe unter vernachlässigbarem Gewicht ist, indem Sie eine Kamera an die Unterseite des Winkelverstellmechanismus halten. Stellen Sie sicher, dass sich die Kamera parallel zur Sample-Ebene befindet, um Winkelverzerrungen zu minimieren.Fügen Sie das gewünschte Vorspanngewicht von 75 Gramm an beiden Enden der Angelschnur in der Nähe der äußeren Riemenscheiben hinzu. Erhöhen Sie diese Menge auf 150 Gramm oder verringern Sie sie auf 50 Gramm, um den Reißanteil zu ändern, wenn dies für diese Kombination aus Material und Probengeometrie gewünscht wird. Richten Sie die Angelschnur von der untersten Riemenscheibe mit der Z-Ebene der Probenbeine aus, indem Sie die Z-Komponente der Drei-Wege-Mikrojustierstufe verwenden.Machen Sie ein zweites Bild der Probe, nachdem das Gewicht hinzugefügt wurde. Positionieren Sie die erwartete Blattspitze ungefähr in der Nähe des Sichtfelds des Objektivs. Setzen Sie die Rasierklinge in den entsprechenden Klingenclip ein und fixieren Sie die Klinge mit einer Stellschraube.Schieben Sie diese geclippte Rasierklinge in die Klingencliphalterung, die an der Wägezelle befestigt ist. Wählen Sie das 2,5-fache Mikroskopobjektiv oder bis zu 20-fach, wenn nähere Bilder gewünscht werden, und verwenden Sie die Durchlichteinstellung, um das Licht hinter der Probe bei Bedarf zu verstärken. Wenn die Klinge an Ort und Stelle ist, fokussieren Sie das Mikroskop auf die nächstgelegene Oberfläche der Klinge und verwenden Sie bei Bedarf das vertikale Verstellsystem, um die Spitze auf den geeigneten Arbeitsabstand für das Objektiv zu bringen.Richten Sie die Rasierklinge vorsichtig im Sichtfeld des Mikroskops aus, indem Sie nur die X- und Y-Richtung der Drei-Wege-Mikrojustierstufe verwenden. Fokussieren Sie das Mikroskop auf die Probe und richten Sie die Rissspitze mit der Rasierklinge aus, indem Sie den X/Y-Tisch des Mikroskops verschieben. Dadurch wird sichergestellt, dass die Mittelebene der Probe mit der Mittelebene des Winkelanpassungsmechanismus übereinstimmt.Öffnen Sie den Code, der für die Wägezellendatenerfassung verwendet wurde, und starten Sie die Aufzeichnung der Wägezellendaten, indem Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnung starten klicken. Verschieben Sie die Probe mit der Mikroskoptischsteuerung für einen Zentimeter oder mehr mit konstanter Geschwindigkeit in Richtung Rasierklinge. Erfassen Sie gleichzeitig Bilder mit der Bildgebungsschnittstelle des Mikroskops.Wenn der X/Y-Tisch des Mikroskops anhält, klicken Sie auf die Schaltfläche Aufzeichnung stoppen, um die Aufzeichnung der Daten zu beenden und automatisch eine Textdatei der Last- und Zeitantwort zu speichern. Die Kraft-Zeit-Kurve für Polydimethylsiloxan mit einer ultrascharfen Klinge ist hier dargestellt. Die elastischen Belastungs-, Schnittinitiierungs-, stationären Schnitt- und Entlastungsbereiche der Kurve sind im Diagramm beschriftet.Diese Daten zeigen eine hohe Anfangskraft, wie sie typischerweise für den Schnittbeginn erforderlich ist, gefolgt von einer konstanten Kraft, die auf ein stationäres Schneiden hinweist. Die Schnittkraft ist der Maximalwert der Kraft innerhalb dieses stationären Regimes. Die hier gezeigten roten Kreise entsprechen bestimmten Bildern, die mit dem Mikroskop aufgenommen wurden.Ein gelber Kreis wurde hinzugefügt, um die Beobachtung der Speckle-Musterbewegung zu erleichtern, und diese Zahlen geben Bildzeitstempel und Sekunden an. Die gemessene stationäre Schnittkraft in Kombination mit den experimentellen Prüfparametern Beinwinkel Theta, Probendicke T, Vorspannung f von Vorspannung und Messerradius ergibt die stationäre Schnittenergie gemäß der gezeigten Gleichung. Hier gelingt es uns, die zuvor in der Literatur beschriebene Schnittenergie für diese Bedingungen zu replizieren.Durch die Integration von Y-förmigem Schneiden in ein Mikroskop ermöglichen wir die Quantifizierung von mikrostrukturellen Beiträgen zum Versagen von Weich-Festkörpern und Weichgewebe durch Fluoreszenzsonden, Autofluoreszenz und Vollfeldstärketechniken.

Research

JoVE Journal

Engineering

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Forschung

Ingenieurwesen

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