Herstellung eines Strain-Messgeräts mit verbessertem 3D-Drucker
Summary
Diese Arbeit präsentiert einen Dehnungsmesssensor, der aus einem Verstärkungsmechanismus und einem Polydimethylsiloxan-Mikroskop besteht, das mit einem verbesserten 3D-Drucker hergestellt wird.
Abstract
Ein herkömmlicher Dehnungsmesssensor muss elektrifiziert werden und ist anfällig für elektromagnetische Störungen. Um die Schwankungen des analogen elektrischen Signals in einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifenbetrieb zu lösen, wird hier eine neue Dehnungsmessmethode vorgestellt. Es verwendet eine fotografische Technik, um die Dehnungsänderung anzuzeigen, indem die Änderung der Zeigerverschiebung des Mechanismus verstärkt wird. Eine visuelle Polydimethylsiloxan-Linse (PDMS) mit einer Brennweite von 7,16 mm wurde einer Smartphone-Kamera hinzugefügt, um eine Linsengruppe zu generieren, die als Mikroskop fungiert, um Bilder aufzunehmen. Es hatte eine äquivalente Brennweite von 5,74 mm. Acrylonitril Butadien-Styrol (ABS) und Nylonverstärker wurden verwendet, um den Einfluss verschiedener Materialien auf die Sensorleistung zu testen. Die Produktion der Verstärker und DES PDMS-Objektivs basiert auf einer verbesserten 3D-Drucktechnologie. Die erhaltenen Daten wurden mit den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) verglichen, um ihre Gültigkeit zu überprüfen. Die Empfindlichkeit des ABS-Verstärkers betrug 36,03 x 1,34 ,/m, und die Empfindlichkeit des Nylonverstärkers betrug 36,55 x 0,53 x / m.
Introduction
Die Gewinnung von leichten, aber starken Materialien ist in der modernen Industrie besonders wichtig. Die Eigenschaften der Materialien werden bei Belastung, Druck, Torsion und Biegeschwingung während des Gebrauchs1,2beeinflusst. Daher ist die Dehnungsmessung von Materialien wichtig, um deren Haltbarkeit zu analysieren und die Verwendung zu beheben. Solche Messungen ermöglichen es Ingenieuren, die Haltbarkeit von Materialien zu analysieren und Produktionsprobleme zu beheben. Die gängigste Dehnungsmessmethode in der Industrie verwendet Dehnungssensoren3. Herkömmliche Foliensensoren sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und guten Zuverlässigkeit4weit verbreitet. Sie messen die Veränderungen der elektrischen Signale und wandeln sie in verschiedene Ausgangssignale5,6um. Diese Methode lässt jedoch die Details des Dehnungsprofils im gemessenen Objekt aus und ist anfällig für Geräusche durch schwingungs-elektromagnetische Störungen mit analogen Signalen. Die Entwicklung präziser, hochgradig wiederholbarer und einfacher Materialdehnungsmessmethoden ist im Engineering wichtig. Daher werden andere Methoden untersucht.
In den letzten Jahren haben Nanomaterialien großes Interesse von Forschern auf sich gezogen. Um die Belastung kleiner Objekte zu messen, schlugen Osborn et al.7 8 eine Methode zur Messung des Stamms von 3D-Nanomaterialien mit Elektronenrückstreuung (EBSD) vor. Mit Hilfe der molekularen Dynamik untersuchten Lina et al.9 die Interlayer-Reibungsdehnungstechnik von Graphen. Verteilte optische Faserdehnungsmessungen mit Rayleigh-Rückstreuspektroskopie (RBS) wurden aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit10häufig in der Fehlererkennung und zur Bewertung optischer Geräte eingesetzt. Grating Fiber optic (FBG)11,12 verteilte Dehnungssensoren wurden weit verbreitet für hochpräzise Dehnungsmessung13 für ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Dehnung verwendet. Um die dehnungsveränderungen zu überwachen, die durch die Aushärtung nach der Harzinjektion verursacht werden, haben Sanchez et al.14 einen Faseroptiksensor in eine Epoxid-Kohlenstofffaserplatte eingebettet und den kompletten Dehnungsprozess gemessen. Differential Interferenzkontrast (DIC) ist eine leistungsfähige Messmethode der Feldverformung15,16,17, die weit verbreitet ist sowie18. Durch den Vergleich der Veränderungen der gemessenen Oberflächengrauwerte in den gesammelten Bildern wird die Verformung analysiert und die Dehnung berechnet. Zhang et al.19 schlugen eine Methode vor, die auf der Einführung verstärkter Partikel und DIC-Bilder beruht, um sich aus dem traditionellen DIC zu entwickeln. Vogel und Lee20 berechneten Dehnungswerte mit einer automatischen Zwei-Ansicht-Methode. In den letzten Jahren ermöglichte dies die gleichzeitige Mikrostrukturbeobachtung und Dehnungsmessung in partikelverstärkten Verbundwerkstoffen. Herkömmliche Dehnungssensoren messen die Belastung nur effektiv in eine Richtung. Zymelka et al.21 schlugen einen omnidirektionalen flexiblen Dehnungssensor vor, der eine herkömmliche Dehnungsmessmethode verbessert, indem Veränderungen im Sensorwiderstand erkannt werden. Es ist auch möglich, Stämme mit biologischen oder chemischen Substanzen zu messen. Ionisch leitfähige Hydrogele sind beispielsweise aufgrund ihrer guten Zugeigenschaften und hohen Empfindlichkeit22,23eine effektive Alternative zu Dehnungs-/Taktsensoren. Graphen und seine Verbundwerkstoffe haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und bieten eine hohe Trägermobilität zusammen mit guter Piezoresistenz24,25,26. Daher sind Graphen-basierte Dehnungssensoren weit verbreitet in der elektronischen Hautgesundheitsüberwachung, tragbaren Elektronik und anderen Bereichen27,28verwendet worden.
In dieser Arbeit wird eine konzeptionelle Dehnungsmessung mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikroskop und einem Amplifikationssystem vorgestellt. Das Gerät unterscheidet sich von einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen, da es keine Drähte oder elektrischen Anschlüsse benötigt. Darüber hinaus kann die Verdrängung direkt beobachtet werden. Der Verstärkungsmechanismus kann an jeder beliebigen Stelle auf dem getesteten Objekt platziert werden, was die Wiederholbarkeit der Messungen erheblich erhöht. In dieser Studie wurden ein Sensor und ein Dehnungsverstärker mit 3D-Drucktechnologie hergestellt. Zuerst haben wir den 3D-Drucker verbessert, um seine Effizienz für unsere Anforderungen zu steigern. Eine kugelförmige Extrusionsvorrichtung wurde entwickelt, um den herkömmlichen Einzelmaterialextruder zu ersetzen, der von der Schneidesoftware gesteuert wird, um die Umwandlung der Metall- und Kunststoffdüsen abzuschließen. Die entsprechende Formplattform wurde ausgetauscht und die Verdrängungssensorvorrichtung (Verstärker) und das Lesegerät (PDMS-Mikroskop) integriert.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Ausgangsverschiebung entwickelte sich linear mit der am freien Ende des Auslegerstrahls konzentrierten Kraft und entsprach den FEA-Simulationen. Die Empfindlichkeit der Verstärker lag bei 36,55 x 0,53 x /m für Nylon und 36,03 bei 1,34 x /m für ABS. Die stabile Empfindlichkeit bestätigte die Machbarkeit und Wirksamkeit des Rapid Prototyping von hochpräzisen Sensoren mittels 3D-Druck. Die Verstärker hatten eine hohe Empfindlichkeit und waren frei von elektromagnetischen Störungen. Darüber hinaus hatten sie eine…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation of China (Grant No. 51805009) finanziell unterstützt.
Materials
| ABS | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| Aluminum 6063 T83 bar | The length, width and thickness of cantilever beam are 380 mm, 51 mm, and 3.8 mm. | ||
| ANSYS | ANSYS | ANSYS 14.5 | |
| CURA | Ultimaker | Cura 3.0 | Slicing softare,using with the improved 3D printer |
| Curing agent | Dow Corning | PDMS and curing agent are mixed with the weight ratio of 10:1 | |
| Driving device | Xinmingtian | E00 | |
| Improved 3D printer and accessories | Made by myself. The rotary spherical lifting platform is adopted. The spherical lifting platform is equipped with a nozzle and a pipette, which can be switched and printed freely. With a rotary printing platform, the platform temperature can be freely controlled. | ||
| iPhone 6 | Apple | MG4A2CH/A | 8-megapixel sensor and the equivalent focus distance is 29mm |
| Magenetic stirrer | SCILOGEX | MS-H280-Pro | |
| Nylon | Hengli dejian plastic electrical products factory | Used for printing 1.75 mm diameter wire for amplifying mechanism | |
| PDMS | Dow Corning | SYLGARDDC184 | After the viscous mixture is heated and hardened, it can be combined with the lens amplification device of the mobile phone for image acquisition. |
| Shape analyzer | Gltech | SURFIEW 4000 | |
| Solidworks | Dassault Systems | Solidworks 2017 | Assist to modelling |
| VISHAY strain gauge | Vishay | Used to measure the strain produced in the experiment. | |
| VISHAY strain gauge indicator | Vishay | Strain data acquisition. |
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