Summary
Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.
Abstract
Questo lavoro presenta una serie di esperimenti virtuali completi per rilevare la deformazione e il cedimento del materiale. Le apparecchiature più comunemente utilizzate nelle discipline meccaniche e dei materiali, come una macchina da taglio metallografica e una macchina per prove di scorrimento universale ad alta temperatura, sono integrate in un sistema basato sul web per fornire diversi servizi sperimentali agli utenti in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo. Il protocollo in questo lavoro è diviso in cinque sottosezioni, vale a dire, la preparazione dei materiali, lo stampaggio del campione, la caratterizzazione del campione, il caricamento del campione, l'installazione di nanoindentatori e gli esperimenti SEM in situ , e questo protocollo mira a fornire un'opportunità per gli utenti per quanto riguarda il riconoscimento di diverse apparecchiature e le operazioni corrispondenti, nonché il miglioramento della consapevolezza del laboratorio, ecc., utilizzando un approccio di simulazione virtuale. Per fornire una guida chiara per l'esperimento, il sistema evidenzia l'attrezzatura / campione da utilizzare nella fase successiva e contrassegna il percorso che conduce all'apparecchiatura con una freccia evidente. Per imitare l'esperimento pratico il più fedelmente possibile, abbiamo progettato e sviluppato una sala di laboratorio tridimensionale, attrezzature, operazioni e procedure sperimentali. Inoltre, il sistema virtuale considera anche esercizi interattivi e registrazione prima di utilizzare sostanze chimiche durante l'esperimento. Sono inoltre consentite operazioni errate, con conseguente messaggio di avviso che informa l'utente. Il sistema può fornire esperimenti interattivi e visualizzati agli utenti a diversi livelli.
Introduction
La meccanica è una delle discipline di base dell'ingegneria, come dimostra l'enfasi posta sulle basi della meccanica matematica e delle conoscenze teoriche e l'attenzione data alla coltivazione delle abilità pratiche degli studenti. Con il rapido progresso della scienza e della tecnologia moderne, la nanoscienza e la tecnologia hanno avuto un enorme impatto sulla vita umana e sull'economia. Rita Colwell, ex direttrice della National Science Foundation (NSF) degli Stati Uniti, ha dichiarato nel 2002 che la tecnologia su scala nanometrica avrebbe avuto un impatto pari alla rivoluzione industriale1 e ha osservato che la nanotecnologia è davvero un portale per un nuovo mondo2. Le proprietà meccaniche dei materiali su scala nanometrica sono uno dei fattori più fondamentali e necessari per lo sviluppo di applicazioni high-tech, come i nano-dispositivi 3,4,5. Il comportamento meccanico dei materiali su scala nanometrica e l'evoluzione strutturale sotto stress sono diventati questioni importanti nell'attuale ricerca nanomeccanica.
Negli ultimi anni, lo sviluppo e il miglioramento della tecnologia di nanoindentazione, della tecnologia di microscopia elettronica, della microscopia a scansione di sonda, ecc., Hanno reso gli esperimenti di "meccanica in situ" una tecnica di test avanzata importante nella ricerca nanomeccanica 6,7. Ovviamente, dal punto di vista della didattica e della ricerca scientifica, è necessario introdurre tecniche sperimentali di frontiera nei contenuti didattici tradizionali riguardanti gli esperimenti meccanici.
Tuttavia, gli esperimenti di meccanica microscopica sono significativamente diversi dagli esperimenti di meccanica di base macroscopica. Da un lato, sebbene gli strumenti e le attrezzature pertinenti siano stati resi popolari in quasi tutti i college e le università, il loro numero è limitato a causa del prezzo elevato e dei costi di manutenzione. A breve termine, è impossibile acquistare abbastanza attrezzature per l'insegnamento offline. Anche se ci sono risorse finanziarie, i costi di gestione e manutenzione degli esperimenti offline sono troppo alti, poiché questo tipo di apparecchiatura ha caratteristiche di alta precisione.
D'altra parte, gli esperimenti di meccanica in situ come la microscopia elettronica a scansione (SEM) sono molto completi, con elevati requisiti operativi e un periodo sperimentale estremamente lungo 8,9. Gli esperimenti offline richiedono agli studenti di essere altamente concentrati per lungo tempo e il malfunzionamento può danneggiare lo strumento. Anche con individui molto qualificati, un esperimento di successo richiede alcuni giorni per essere completato, dalla preparazione di campioni qualificati al caricamento dei campioni per esperimenti di meccanica in situ. Pertanto, l'efficienza dell'insegnamento sperimentale offline è estremamente bassa.
Per risolvere i problemi di cui sopra, è possibile utilizzare la simulazione virtuale. Lo sviluppo dell'insegnamento dell'esperimento di simulazione virtuale può affrontare il collo di bottiglia in termini di costi e quantità delle apparecchiature sperimentali di meccanica in situ e, quindi, consentire agli studenti di utilizzare facilmente vari pezzi avanzati di attrezzature senza danneggiare gli strumenti ad alta tecnologia. L'insegnamento dell'esperimento di simulazione consente inoltre agli studenti di accedere alla piattaforma di esperimenti di simulazione virtuale via Internet sempre e ovunque. Anche per alcuni strumenti a basso costo, gli studenti possono utilizzare strumenti virtuali in anticipo per la formazione e la pratica, che possono migliorare l'efficienza dell'insegnamento.
Considerando l'accessibilità e la disponibilità di sistemi basati sul web10, in questo lavoro, presentiamo un sistema di sperimentazione di simulazione virtuale basato sul web che può fornire una serie di esperimenti relativi a operazioni fondamentali in meccanica e materiali, con particolare attenzione all'esperimento di meccanica in situ .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
In questo lavoro, le procedure dell'esperimento di frattura del fascio microcantilever con le crepe sono discusse come segue, che è aperto all'accesso gratuito tramite http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd. Tutte le fasi sono condotte nel sistema online basato sull'approccio della simulazione virtuale. Per questo studio non è stata richiesta l'approvazione dell'Institutional Review Board. Il consenso è stato ottenuto dagli studenti volontari che hanno preso parte a questo studio.
1. Accesso al sistema e accesso all'interfaccia
- Aprire un browser Web e immettere l'URL http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd per accedere al sistema.
NOTA: è possibile accedere all'URL fornito tramite un browser Web tradizionale senza nome utente e password. - Trova l'interfaccia di simulazione virtuale utilizzando la barra di scorrimento verticale.
NOTA: la scena virtuale è incorporata nel Web. - Fai clic sull'icona a schermo intero nell'angolo in basso a destra per abilitare un'interfaccia a schermo intero .
- Fai clic sul pulsante Avvia esperimento per iniziare.
- Fare clic sul pulsante Invio per seguire la guida per i principianti oppure fare clic sul pulsante Ignora per saltare questo passaggio.
NOTA: l'utente può scegliere di seguire (pulsante Invio ) o saltare (pulsante Salta ). La guida per principianti fornisce descrizioni dell'intero sistema. L'interfaccia evidenzia anche le istruzioni operative passo-passo per eseguire le operazioni o le apparecchiature previste. La figura 1 mostra le attrezzature utilizzate nell'esperimento, compresi sette tipi di apparecchiature nelle discipline meccaniche e dei materiali. Si consiglia ai principianti di seguire questa guida.
2. Preparazione dei materiali
- Inizia l'esperimento dopo aver completato la formazione di livello principiante. Seguire le istruzioni sull'interfaccia per "camminare" vicino alla tabella da laboratorio che contiene i wafer di silicio, rivedere le differenze tra i wafer di silicio di tipo normale e quelli di tipo crack e selezionare il modello di crack.
NOTA: accedere all'interfaccia dell'esperimento ed eseguire gli esperimenti in base alle indicazioni del percorso evidenziate. Le linee guida evidenziate vengono fornite durante tutto il processo per offrire una guida chiara per la sperimentazione. - Selezionare un materiale dall'elenco dei materiali forniti.
NOTA: L'elenco dei materiali fornito include oro, argento, PtCuNiP, ZrTiCuNiBe, polietere-etere-chetone (PEEK) e polimetilmetacrilato (PMMA). - Caricare il materiale selezionato sul morsetto della fresa con un clic sul materiale evidenziato. Fare clic sul pulsante ON/OFF evidenziato (sul lato destro) per accendere il morsetto della fresa, fare clic sul pulsante Speed (sul lato sinistro) e impostare la velocità della macchina da taglio metallografica in un'interfaccia pop-up.
NOTA: L'utente può impostare una velocità adeguata come desidera. Una volta impostata la velocità da parte dell'utente, il morsetto della fresa verrà attivato e la barra grezza verrà tagliata a fette sottili. - Impilate lo stampo, la lamiera e la lastra di copertura insieme facendo clic e trascinando l'oggetto evidenziato come indicato nell'interfaccia utente.
NOTA: Dopo aver tagliato il materiale, questa fase di assemblaggio è necessaria prima della fusione di nano-stampi.
3. Modellare il campione
- Camminare virtualmente verso la macchina per la prova universale di scorrimento ad alta temperatura seguendo le indicazioni mostrate nella Figura 2 e posizionare virtualmente i campioni impilati tra i morsetti della macchina di prova universale di scorrimento.
NOTA: dopo questo passaggio, verrà evidenziato il computer virtuale sul lato sinistro della macchina di prova universale dello scorrimento universale ad alta temperatura. - Fare clic sul computer virtuale e impostare lo schema di test sul computer di controllo della macchina di test di scorrimento universale.
NOTA: Dopo questo passaggio, l'attrezzatura ausiliaria della macchina universale per prove di scorrimento ad alta temperatura per il riscaldamento e il pompaggio del vuoto verrà evidenziata per fornire indicazioni all'utente. - Fare clic sull'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto evidenziata e accendere l'alimentazione. Aprire la pompa meccanica virtuale e la valvola di supporto nell'interfaccia facendo clic sui pulsanti evidenziati.
NOTA: questo passaggio completa le impostazioni di controllo del vuoto del sistema nel sistema di controllo del vuoto della macchina di prova universale di scorrimento. - Fare clic sul pulsante Cancella sul pannello di controllo della macchina di prova universale per scorrimento per cancellare i dati. Fare clic sul pulsante Esegui sul pannello di controllo della macchina di prova universale per completare l'esperimento, che copia il modello sullo stampo sulla lamiera utilizzando il metodo di stampaggio a compressione della piastra parallela.
NOTA: Al termine della colata dello stampo, rimuovere il campione e chiudere la valvola di supporto e la pompa meccanica, ecc., Dell'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto facendo clic sui pulsanti a turno come richiesto (nelle apparecchiature di riscaldamento e pompaggio del vuoto reali, l'ordine inverso può causare l'esaurimento della pompa molecolare). - Fare nuovamente clic sul computer virtuale e controllare i dati sperimentali sul computer di controllo della macchina di test di scorrimento universale.
- Aprire la piastra di copertura sulla macchina metallografica per l'intarsio del campione e posizionare il campione.
- Fare clic sulla polvere di PMMA evidenziata per versare la polvere preparata e fare clic sullo stampo evidenziato per posizionarlo sopra la polvere di PMMA.
- Fare clic sul volantino evidenziato per regolare la posizione dello stampo, che coprirà automaticamente la piastra di copertura. Fare clic sul pulsante ON/OFF per accendere la macchina intarsiatrice. Estrarre il campione intarsiato in PMMA dopo il raffreddamento.
NOTA: Il campione stampato deve essere montato sulla macchina di intarsio nella direzione corretta, come mostrato in Figura 3, in cui il materiale termoplastico PMMA viene utilizzato nell'esperimento. Assicurarsi che la polvere di PMMA si sciolga e aderisca alla superficie del campione. L'angolo inferiore sinistro della Figura 4 illustra la direzione corretta dopo che l'utente ha confermato la selezione illustrata nella Figura 3.
- Entrare nella stanza per la lucidatura e la corrosione seguendo la guida del percorso, come mostrato nella Figura 5. Trova la lucidatrice evidenziata e fai clic sulla pinza della lucidatrice per montare il campione intarsiato sulla pinza. Impostare la velocità di macinazione e lucidatura del campione per rimuovere il substrato del materiale stampato.
NOTA: macinare lo stampo su un lato dello stampo fino a quando il motivo sullo stampo non è esposto.
4. Caratterizzazione dei campioni
- Registrarsi nell'e-notebook prima di utilizzare una sostanza chimica. Aprire l'armadio di stoccaggio chimico ed estrarre la soluzione solida di KOH e acetone. Fare clic sul becher evidenziato per utilizzare la soluzione di acetone per pulire il campione. Fare clic su un altro becher evidenziato e KOH solido per la preparazione del liquido di corrosione per preparare una soluzione KOH al 10%. Fare clic sulla soluzione KOH evidenziata e sul campione per corrodere il campione in un campione metallografico.
NOTA: In questo esperimento, per rimuovere lo stampo di silicio, viene solitamente preparata una soluzione KOH da 6 mol/L, il campione viene posto nella soluzione di preparazione e il becher contenente la soluzione di corrosione e il campione viene posto su una piastra riscaldante per riscaldarsi per accelerare la velocità di corrosione. - Pulire il campione dopo aver rimosso il substrato di silicio ed eseguire un test caratterizzato con il campione preparato al microscopio ottico.
NOTA: Ricordarsi di determinare l'integrità del campione dopo la macinazione e la corrosione.
5. Caricamento dei campioni e installazione di nanopenetratori
- Caricare il campione sullo stadio campione del nanopenetratore. Scegli il penetratore a cono per montarlo sul driver del sistema di test micro e nanomeccanico. Fare clic sull'unità evidenziata per collegarla al nanoindenter.
NOTA: Il "Perno" deve essere inserito nell'albero di trasmissione durante l'installazione del penetratore e, poiché l'albero di trasmissione è una barra sottile, il fermo evita di danneggiare l'albero di trasmissione quando si avvita il penetratore con un'estremità filettata nell'azionamento.
6. Esperimento SEM in situ
- Fare clic sul pulsante Vent nel software di controllo SEM dopo aver installato il penetratore del nanopenetratore e caricato il campione come descritto al punto 5.1.
- Aprire la camera SEM dopo aver rotto il vuoto, installare il nanopenetratore sullo stadio di campionamento SEM e collegare i fili (la Figura 6 mostra un esempio di collegamento di uno dei fili).
- Aprire il software di controllo del nanoindenter e selezionare Loaded Indenter Range > Select Experimental Protocol > Start Controller > Init* (Sample Stage Initialization).
NOTA: Il processo di inizializzazione della posizione dello stadio di campionamento del nanopenetratore deve essere eseguito nello stato in cui la cavità SEM è aperta per evitare che il processo di inizializzazione dello stadio di campionamento nanopenetratore colpisca il polo della porta di uscita dell'elettrone SEM. - Chiudere la camera SEM e fare clic sul pulsante Pump sul software di controllo SEM.
- Fare clic sul pulsante Su o Giù nel software di controllo SEM per regolare la posizione dello stadio del campione in modo che il campione da misurare rientri nel campo visivo SEM. Fare clic sul pulsante OK per correggere la posizione. Fare clic sul pulsante EHT evidenziato per accendere il cannone elettronico. Fare clic sul pulsante Fotocamera e passare alla modalità di osservazione al microscopio elettronico.
NOTA: Il penetratore del nanopenetratore deve essere controllato in modalità di osservazione per avvicinarsi gradualmente al campione da misurare. - Fare clic sul pulsante Esegui sul software di controllo del nanoindenter.
NOTA: Durante l'esperimento, è necessario osservare e registrare le caratteristiche di deformazione e il processo di guasto durante il processo di caricamento del campione e aprire i dati originali dell'esperimento nella finestra di analisi dei dati dopo che l'esperimento è stato completato per tracciare ed esportare i dati. - Fare clic sul pulsante Stop sul software di controllo del nanopenetratore per terminare l'esperimento.
NOTA: l'esperimento di simulazione virtuale termina qui. All'utente viene chiesto di completare l'esercizio dell'esame online nell'interfaccia virtuale dopo la sperimentazione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Il sistema fornisce una guida chiara per le operazioni dell'utente. Innanzitutto, la formazione di livello principiante viene integrata quando un utente entra nel sistema. In secondo luogo, vengono evidenziate le attrezzature e la sala laboratorio da utilizzare per l'operazione successiva.
Il sistema può essere utilizzato per diversi scopi educativi per diversi livelli di studenti. Ad esempio, la Figura 1 include sette dei tipi di apparecchiature più comunemente utilizzati nelle discipline meccaniche e dei materiali, vale a dire, la macchina da taglio metallografica, la macchina universale per prove di scorrimento ad alta temperatura, la macchina per l'intarsio di campioni metallografici, la lucidatrice, il microscopio ottico, il SEM e il sistema di prova micro e nanomeccanica. Nella guida per principianti, l'utente può conoscere le descrizioni di tutte le attrezzature utilizzate nell'esperimento. Quindi, tutte le attrezzature vengono utilizzate una per una per completare l'esperimento. Gli studenti possono scegliere l'attrezzatura per esperimenti ripetitivi fino a quando non padroneggiano le abilità operative.
La Figura 3 e la Figura 4 dimostrano inoltre che il sistema può migliorare la progettazione dello schema sperimentale combinato con le operazioni sperimentali, che possono fornire una convalida immediata. Nella Figura 3, l'utente deve scegliere di posizionare il campione nella direzione corretta per creare un campione stampato. La Figura 4 mostra l'interfaccia per l'utilizzo della macchina metallografica per l'intarsio dei campioni, che mostra anche i risultati (come indicato nell'angolo inferiore sinistro della Figura 4) del passaggio precedente dopo che l'utente ha confermato la selezione, come mostrato nella Figura 3. La figura 7 illustra i risultati sperimentali della meccanica in situ della trave micro-cantilever con fessure preimpostate. Attraverso l'analisi dei risultati, l'utente può determinare come sono stati ottenuti i risultati.
Questo protocollo simula lo scenario in cui gli studenti sono tenuti a valutare le dimensioni del carico e il tempo di caricamento dell'esperimento reologico della piastra parallela in base al rapporto lunghezza-diametro del provino da preparare. Lo sperimentatore deve analizzare la relazione tra il rapporto lunghezza-diametro del fluido viscoso che scorre in uno stampo cilindrico a foro, la pressione p 0 e il tempo t con un diametro di d sotto l'azione della pressione costante p 0. Questa relazione è mostrata di seguito:
dove L è la lunghezza, d è il diametro dello stampo cilindrico, p0 è la pressione costante, η è la viscosità del materiale e t è il tempo di caricamento. Una volta che p0, η e L/d sono dati, t può essere calcolato. Se L/d raddoppia, il tempo di caricamento sarà quattro volte maggiore di prima. La figura 8 illustra la relazione tra il rapporto lunghezza/diametro del vetro metallico che scorre nel foro dello stampo e il tempo.
Negli esperimenti del mondo reale, è stato riscontrato che gli studenti spesso utilizzavano un approccio di prova ed errore, cioè regolando costantemente le dimensioni del carico o la durata del caricamento fino a quando il campione richiesto non veniva finalmente realizzato. In questo protocollo, viene fornita un'interfaccia interattiva per convalidare le conoscenze teoriche e il tempo di caricamento viene determinato in base ai valori dei parametri forniti (viscosità del materiale, dimensione del campione iniziale e dimensione del carico). Una domanda guida è fornita come segue: "Il vetro metallico è un fluido newtoniano con una viscosità di η = 107 Pa·s alla temperatura sperimentale di pressofusione. Il fluido non ha scivolamento al limite di contatto dello stampo. È necessario preparare un campione cilindrico con un rapporto lunghezza-diametro di 5. Se l'esperimento può applicare una grande quantità di pressione di 100 MPa, quanto dovrebbe essere lungo il tempo di caricamento? Se il rapporto lunghezza-diametro viene aumentato di 1x, quante volte aumenta il tempo di caricamento?" Gli studenti dovrebbero capire le risposte, impostare lo schema di test di conseguenza e quindi condurre i loro esperimenti.
Dopo l'esperimento, agli studenti viene chiesto di rispondere ad alcune domande di diverso tipo, come domande da riempire e domande a risposta singola / multipla (MCQ), che si concentrano sui passaggi chiave durante l'esperimento di simulazione virtuale per migliorare le loro conoscenze teoriche e sperimentazioni. La tabella 1 mostra gli esempi di domande per l'esercizio di esame online dopo la sperimentazione. Con esercizi integrati, gli utenti possono rivedere sistematicamente l'intero processo dell'esperimento e collegare la teoria con la sperimentazione.
L'insieme degli esperimenti offerti dall'implementazione della simulazione virtuale proposta consente di fornire le seguenti esperienze visualizzate e interattive potenziate dalla conoscenza e dalle competenze: 1) un ambiente di apprendimento virtuale immersivo in cui gli utenti possono "camminare" e comprendere il layout delle sale di laboratorio e i dettagli di ogni attrezzatura; 2) operazioni su diverse attrezzature tipiche delle discipline meccaniche e materiali per padroneggiare le capacità operative; 3) miglioramento della consapevolezza della sicurezza attraverso operazioni e avvisi errati; 4) esperimenti ripetitivi ed esperimenti a tempo più breve invece della durata degli esperimenti; 5) seguire il più fedelmente possibile il protocollo dei laboratori convenzionali in modo che gli utenti possano familiarizzare con le procedure e le "cose da fare" e "non fare" anche nell'ambiente virtuale.
Convenzionalmente, a causa della quantità limitata di attrezzature e dell'occupazione di studenti laureati per scopi di ricerca, gli studenti universitari raramente hanno la possibilità di condurre esperimenti con attrezzature fisiche. Il sistema di simulazione virtuale che integra diversi tipi di apparecchiature può aiutare a fornire esperimenti accessibili e ripetibili contemporaneamente per migliorare le loro abilità di laboratorio. Dopo la sua implementazione, il sistema virtuale è stato applicato nei semestri autunnali degli anni accademici 2020 e 2021 per studenti con background di ingegneria meccanica. La tabella 2 mostra i risultati dell'esperimento, che includono il tempo medio di completamento, la deviazione standard del tempo di completamento e i punteggi medi dei diversi anni. Il punteggio medio (100 in totale) viene calcolato in base alla valutazione dell'esperimento (70%, valutata dal sistema) e al rapporto di laboratorio sul web (30%, valutato dal docente). I risultati dimostrano che gli studenti possono, in media, completare l'esperimento in ~ 73 minuti utilizzando un browser web, che è efficiente in termini di tempo e verifica l'efficienza del sistema basato sul web basato sull'approccio di simulazione virtuale. Nel 2022, abbiamo eseguito uno studio per dimostrare l'efficienza del protocollo proposto. Gli studenti di due classi con background di ingegneria meccanica (due classi con lo stesso insegnante e gli stessi moduli di classe, divisi in due classi per motivi di dimensioni della classe) sono stati divisi in due gruppi (una classe per ogni gruppo). Gli studenti del Gruppo 1 hanno frequentato il laboratorio fisico per apprendere le conoscenze teoriche e osservare le operazioni dal docente, mentre gli studenti del Gruppo 2 hanno utilizzato l'interfaccia virtuale sviluppata sulla base del laboratorio fisico (incluso il layout e le attrezzature) per il loro esperimento. La tabella 3 mostra i risultati degli esami online (con un punteggio totale di 10) per gli studenti senza (Gruppo 1) e con (Gruppo 2) l'esperienza dell'interfaccia virtuale. Si può concludere che gli studenti con l'esperienza dell'interfaccia virtuale hanno ottenuto risultati migliori rispetto a quelli senza l'esperienza.
Figura 1: L'attrezzatura tridimensionale sviluppata utilizzata durante gli esperimenti. Si può concludere che attraverso questo esperimento di simulazione virtuale, l'utente può essere addestrato ad avere familiarità con le attrezzature più comunemente utilizzate nelle discipline meccaniche e materiali. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 2: Evidenziata macchina per prove di scorrimento universale ad alta temperatura nella sala del laboratorio di simulazione virtuale. Dopo aver completato il passaggio precedente (taglio del campione), viene generato automaticamente il passaggio successivo, che evidenzia la macchina (quando la macchina è vicina) o il percorso che porta alla macchina (quando la macchina non è nelle vicinanze). Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 3: L'interfaccia per la scelta della direzione di posizionamento del campione. L'utente deve scegliere la direzione di posizionamento corretta del campione per continuare con il passaggio successivo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 4: L'interfaccia per l'utilizzo della macchina metallografica per l'intarsio dei campioni. I risultati del passaggio precedente dopo che l'utente ha confermato la selezione (nella Figura 3) sono mostrati nell'angolo inferiore sinistro. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 5: L'interfaccia con una guida del percorso evidenziata. L'utente viene guidato ad entrare in una stanza per la lucidatura e la corrosione del campione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 6: Cablaggio per la macchina SEM. L'utente deve collegare i fili per continuare con l'esperimento. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 7: Risultati del processo sperimentale di meccanica in situ della trave micro-cantilever con fessure preimpostate. Le due curve mostrano un esempio dei risultati sperimentali della meccanica in situ di una trave micro-cantilever con fessure preimpostate. (A) Curva spostamento-tempo, (B) curva sforzo-deformazione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 8: Calcolo basato sulle conoscenze teoriche. La relazione tra il rapporto lunghezza-diametro del vetro metallico che scorre nel foro dello stampo e il tempo. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 9: L'avviso indica che un'operazione errata ha danneggiato l'oscilloscopio. Gli utenti possono fare clic sul pulsante per livellare verso l'alto / verso il basso il rilevatore SEM. Tuttavia, se salgono troppo di livello, il rilevatore SEM sarà danneggiato. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Figura 10: L'e-notebook per la registrazione online prima di utilizzare una sostanza chimica. Prima del processo di corrosione, l'utente deve registrarlo nel notebook, che è lo stesso della procedura nel laboratorio fisico. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
| ID | Tipo di domanda d'esame | Dettagli della domanda | Fornire scelte |
| 1 | Compilare la domanda vuota | In questo esperimento, la soluzione __ è stata utilizzata per corrodere il wafer di silicio. | Nessuno |
| 2 | MCQ a risposta singola | Quando per l'esperimento viene utilizzata la macchina per la prova universale dello scorrimento ad alta temperatura, quale dei seguenti materiali può essere considerato fluido newtoniano? | Un. Metallo convenzionale |
| B. Lega amorfa | |||
| 3 | MCQ a risposta singola | Se si stima che un campione resista alla forza massima di 60 mN, nella selezione dell'intervallo, scegliere InForce 50 o InForce 1000? | Un. InForce 50 |
| B. InForce 1000 | |||
| 4 | Richiesta multipla a risposta multipla | Nanoindenter può essere usato per misurare? | Un. Durezza |
| B. Modulo di elasticità | |||
| C. Tenacità alla frattura | |||
| D. Viscoelasticità | |||
| 5 | MCQ a risposta singola | SEM è l'abbreviazione di | Un. Microscopio ottico |
| B. Microscopia elettronica a scansione | |||
| C. Microscopia elettronica a trasmissione |
Tabella 1: Esempi di domande per l'esercizio di esame online dopo la sperimentazione. Gli utenti sono tenuti a completare diversi tipi di domande in modo che possano rivedere sistematicamente l'intero processo dell'esperimento e collegare la teoria con la sperimentazione.
| Anno | Numero di studenti | Tempo medio di completamento | Deviazione standard del tempo di completamento | Punteggio medio |
| 2021 | 58 | 71 min e 46 s | 11 min e 39,5 s | 79.83 |
| 2020 | 77 | 73 min e 3 s | 11 min e 15.4 s | 80.21 |
Tabella 2: Risultati degli esperimenti svolti nei diversi anni. Gli studenti con background di ingegneria meccanica hanno completato gli esperimenti in due diversi anni accademici.
| ID gruppo | Numero di studenti | Punteggio medio | Deviazione standard del punteggio |
| 1 | 18 | 5.56 | 1.15 |
| 2 | 22 | 8.09 | 1.27 |
Tabella 3: I risultati degli esami online (con un punteggio totale di 10) per gli studenti senza (Gruppo 1) e con (Gruppo 2) l'esperienza dell'interfaccia virtuale. Gli studenti con background di ingegneria meccanica sono stati divisi in due gruppi nel 2022 per dimostrare l'efficienza del protocollo.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Uno dei vantaggi degli esperimenti di simulazione virtuale è che consentono agli utenti di condurre gli esperimenti senza preoccuparsi di danneggiare il sistema fisico o causare danni a se stessi11. Pertanto, gli utenti possono eseguire qualsiasi operazione, comprese le operazioni corrette o errate. Tuttavia, il sistema fornisce all'utente un messaggio di avviso integrato nell'esperimento interattivo per guidarlo a condurre correttamente gli esperimenti quando viene eseguita un'operazione errata. In questo modo, gli utenti possono imparare le operazioni corrette. Ad esempio, quando un utente esegue operazioni sul SEM, come mostrato nella Figura 9, potrebbe aumentare troppo il livello del rilevatore SEM e danneggiarlo accidentalmente.
Analogamente agli esperimenti pratici nei laboratori fisici, gli utenti che conducono esperimenti virtuali dovrebbero anche seguire procedure corrette, che possono potenzialmente migliorare la loro sperimentazione e consapevolezza della sicurezza. Ad esempio, come illustrato nella Figura 10, quando si prepara una soluzione KOH per il processo di corrosione del campione in un campione metallografico, l'utente deve registrarsi in un quaderno prima di utilizzare la sostanza chimica.
Sebbene questo sistema fornisca un ambiente virtuale complesso e completo per la deformazione dei materiali e la sperimentazione dei guasti, la limitazione principale è che attualmente manca di personalizzazioni da parte dell'utente. Gli utenti seguono i passaggi per condurre esperimenti e raramente hanno la possibilità di implementare le loro idee. Tuttavia, il sistema può essere migliorato per fornire agli studenti una maggiore libertà di implementare le proprie idee e creare i propri progetti e implementazioni.
La simulazione virtuale tridimensionale è stata un argomento importante in tutto il mondo negli ultimi dieci anni in termini di fornitura di interfacce immersive per il coinvolgimento e l'apprendimento12,13. Studi riguardanti la simulazione virtuale sono stati condotti in varie discipline, come nell'ingegneria di controllo14 per considerazioni di sicurezza15 e nell'ingegneria chimica per la pratica di produzione16. Nella disciplina dei materiali e della meccanica, il sistema può essere utilizzato per la formazione degli studenti in merito ai protocolli sperimentali, all'uso delle attrezzature e alla verifica delle conoscenze teoriche. Rispetto ai metodi esistenti, l'approccio di simulazione virtuale proposto è accessibile dagli utenti in qualsiasi momento da qualsiasi luogo, purché siano disponibili Internet e un browser Web, il che significa che questo approccio è economico e altamente efficiente. Fornendo sette diversi tipi di apparecchiature costose, il sistema online consente agli utenti di migliorare ripetutamente le loro operazioni e competenze di laboratorio in questo unico sistema online.
Il sistema può essere utilizzato in combinazione con l'insegnamento e l'apprendimento tradizionali nelle future applicazioni della tecnica. Ad esempio, il sistema potrebbe essere combinato con esperimenti pratici. Gli studenti potrebbero condurre esperimenti di simulazione virtuale prima di condurre esperimenti pratici in laboratori convenzionali. Rispetto ai metodi convenzionali, il sistema è interattivo e coinvolgente. Oltre ai benefici forniti dall'istruzione tradizionale, l'insegnamento sperimentale basato sulla simulazione virtuale offre una gamma completa di funzioni ausiliarie, che possono esercitare la capacità degli studenti di utilizzare le conoscenze apprese per risolvere problemi pratici. Inoltre, questo tipo di insegnamento coltiva anche gli interessi di ricerca e il senso di innovazione degli studenti addestrandoli a padroneggiare le tecniche, i metodi e i principi di test di esperimenti meccanici avanzati su micro e nanoscala e aiuta efficacemente gli studenti a migliorare le loro qualità professionali e complete.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Acknowledgments
Questo lavoro è stato sostenuto in parte dai fondi di ricerca fondamentale per le università centrali nell'ambito della sovvenzione 2042022kf1059; la Nature Science Foundation della provincia di Hubei nell'ambito della sovvenzione 2022CFB757; la China Postdoctoral Science Foundation nell'ambito della sovvenzione 2022TQ0244; il finanziamento del progetto tecnologico sperimentale dell'Università di Wuhan nell'ambito della sovvenzione WHU-2021-SYJS-11; i progetti provinciali di insegnamento e ricerca nei college e nelle università della provincia di Hubei nel 2021 nell'ambito del Grant 2021038; e il progetto di ricerca di laboratorio provinciale nei college e nelle università della provincia di Hubei nell'ambito della sovvenzione HBSY2021-01.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Virtual interface | None | None | http://civ.whu.rofall.net/virexp/clqd |
References
- Chong, K. Nano mechanics/materials research. Nanomechanics of Materials and Structures. Chuang, T. J., Anderson, P. M., Wu, M. K., Hsieh, S. , Springer. Dordrecht, the Netherlands. 13-22 (2006).
- Ratner, B. M., Ratner, D. Nanotechnology: A Gentle Introduction to the Next Big Idea. , Prentice Hall Professional. New Jersey, USA. (2003).
- Li, Y., Wang, X. Precipitation behavior in boundaries and its influence on impact toughness in 22Cr25Ni3W3CuCoNbN steel during short-term ageing. Materials Science and Engineering A. 809, 140924 (2021).
- Li, Y., Wang, X. Strengthening mechanisms and creep rupture behavior of advanced austenitic heat resistant steel SA-213 S31035 for A-USC power plants. Materials Science and Engineering A. 775, 138991 (2020).
- Wang, X., Li, Y., Chen, D., Sun, J. Precipitate evolution during the aging of Super304H steel and its influence on impact toughness. Materials Science and Engineering A. 754, 238-245 (2019).
- Juri, A. Z., Basak, A. K., Yin, L. In-situ SEM cyclic nanoindentation of pre-sintered and sintered zirconia materials. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 126, 105068 (2022).
- Nautiyal, P., Boesl, B., Agarwal, A. Challenges during in-situ mechanical testing: Some practical considerations and limitations. In-situ Mechanics of Materials. , Springer. Cham, Switzerland. 227-238 (2020).
- Nautiyal, P., Zhang, C., Loganathan, A., Boesl, B., Agarwal, A. High-temperature mechanics of boron nitride nanotube "Buckypaper" for engineering advanced structural materials. ACS Applied Nano Materials. 2 (7), 4402-4416 (2019).
- Cao, W., et al. Correlations between microstructure, fracture morphology, and fracture toughness of nanocrystalline Ni-W alloys. Scripta Materialia. 113, 84-88 (2016).
- Lei, Z., et al. Toward a web-based digital twin thermal power. IEEE Transactions on Industrial Informatics. 18 (3), 1716-1725 (2022).
- Lei, Z., et al. From virtual simulation to digital twins in online laboratories. 2021 40th Chinese Control Conference. , 8715-8720 (2021).
- Dede, C. Immersive interfaces for engagement and learning. Science. 323 (5910), 66-69 (2009).
- Sun, X., Liu, H., Wu, G., Zhou, Y. Training effectiveness evaluation of helicopter emergency relief based on virtual simulation. Chinese Journal of Aeronautics. 31 (10), 2000-2012 (2018).
- Lei, Z., et al. Interactive and visualized online experimentation system for engineering education and research. Journal of Visualized Experiments. (177), e63342 (2021).
- Galán, D., et al. Safe experimentation in optical levitation of charged droplets using remote labs. Journal of Visualized Experiments. (143), e58699 (2019).
- Ouyang, S. G., et al. A Unity3D-based interactive three-dimensional virtual practice platform for chemical engineering. Computer Applications in Engineering Education. 26 (1), 91-100 (2018).
