Производство измерительного устройства с улучшенным 3D-принтером
Summary
В этой работе представлен датчик измерения деформации, состоящий из механизма усиления и полидиметилсилоксанового микроскопа, изготовленного с помощью улучшенного 3D-принтера.
Abstract
Традиционный датчик измерения деформации должен быть электрифицирован и подвержен электромагнитным помехам. Для того, чтобы решить колебания в аналоговый электрический сигнал в традиционной операции датчика деформации, новый метод измерения деформации представлен здесь. Он использует фотографический метод для отображения изменения напряжения путем усиления изменения смещения указателя механизма. Визуальный полидиметилсилоксан (PDMS) объектив с фокусным расстоянием 7,16 мм был добавлен в камеру смартфона для создания группы объективов, действующих в качестве микроскопа для захвата изображений. Он имел эквивалентное фокусное расстояние 5,74 мм. Акрилонитрил бутадиена стирола (ABS) и нейлоновые усилители были использованы для проверки влияния различных материалов на производительность датчика. Производство усилителей и объектива PDMS основано на усовершенствованной технологии 3D-печати. Полученные данные были сопоставлены с результатами анализа конечных элементов (FEA) для проверки их достоверности. Чувствительность усилителя АБС составляла 36,03 и 1,34 евро/мкм, а чувствительность нейлонового усилителя составляла 36,55 и 0,53 евро/мкм.
Introduction
Получение легких, но прочных материалов особенно важно в современной промышленности. Свойства материалов влияют при воздействии стресса, давления, торсии и изгиба вибрации во время использования1,2. Таким образом, измерение деформации материалов важно для анализа их долговечности и устранения неполадок. Такие измерения позволяют инженерам анализировать долговечность материалов и устранять производственные проблемы. Наиболее распространенный метод измерения штамма в промышленности использует датчики напряжения3. Традиционные датчики фольги широко используются из-за их низкой стоимости и хорошей надежности4. Они измеряют изменения в электрических сигналах и преобразуют их в различныесигналы5,6. Однако этот метод оставляет детали профиля деформации в измеренном объекте и подвержен шуму от вибрационных электромагнитных помех с аналоговыми сигналами. Разработка точных, высоко повторяемых и простых методов измерения штамма материала имеет важное значение в инженерии. Таким образом, изучаются и другие методы.
В последние годы наноматериалы вызвали большой интерес у следователей. Для измерения нагрузки на мелкие объекты, Osborn et al.7,8, предложил метод измерения штамма 3D наноматериалов с помощью электронного рассеяния (EBSD). Используя молекулярную динамику, Lina et al.9 исследовали межслойную инженерию штамма трения графена. Распределенные измерения штамма оптического волокна с использованием спектроскопии Рейли с обратной сбросом (RBS) широко использовались при обнаружении неисправностей и для оценки оптических устройств из-за их высокого пространственного разрешения и чувствительности10. Решетка волоконно-оптических (FBG)11,12 распределенных датчиков деформации были широко использованы для высокоточных измерения деформации13 для их чувствительности к температуре и деформации. Для того, чтобы контролировать изменения деформации, вызванные лечением после инъекции смолы, Sanchez et al.14 встроил оптоволоконный датчик в пластину эпоксидного углеродного волокна и измерил полный процесс деформации. Дифференциальная интерференционная контрастность (DIC) является мощным методом измерения деформации поля15,16,17, который широко используется, а18. Сравнивая изменения измеренных уровней серых поверхностей в собранных изображениях, анализируется деформация и вычисляется штамм. Чжан и др.19 предложил метод, который опирается на введение усиленных частиц и DIC изображения развиваться из традиционных DIC. Фогель и Ли20 вычислили значения штамма с помощью автоматического метода с двумя представлениями. В последние годы это позволило одновременное наблюдение за микроструктурами и измерение деформации в составных композитах, усиленных частицами. Традиционные датчики деформации эффективно измеряют напряжение только в одном направлении. Ymelka et al.21 предложил анагнистого гибкого датчика деформации, который улучшает традиционный метод датчика деформации, обнаруживая изменения в резистентности датчика. Также можно измерить штамм с помощью биологических или химических веществ. Например, ионные проводящие гидрогели являются эффективной альтернативой деформации / тактильные датчики из-за их хорошие свойства растяжить и высокой чувствительности22,23. Графен и его композиты обладают отличными механическими свойствами и обеспечивают высокую мобильность носителей наряду с хорошей пьезорезистивностью24,25,26. Следовательно, датчики деформации на основе графена широко используются в электронном мониторинге здоровья кожи, носимой электроники и других областях27,28.
В этой работе представлено концептуальное измерение деформации с использованием полидиметилсилоксана (PDMS) и системы усиления. Устройство отличается от традиционного датчика деформации, так как не требует проводов или электрических соединений. Кроме того, перемещение может наблюдаться непосредственно. Механизм усиления может быть размещен в любом месте на испытанный объект, что значительно увеличивает повторяемость измерений. В этом исследовании датчик и усилитель деформации были изготовлены с помощью технологии 3D-печати. Сначала мы улучшили 3D-принтер, чтобы повысить его эффективность в соответствии с нашими требованиями. Сферическое экструзионное устройство было разработано для замены традиционного одноматериального экструдера, управляемого нарезным программным обеспечением для завершения преобразования металлических и пластиковых сопла. Соответствующая молдинговая платформа была изменена, а устройство для зондирования смещения (усилитель) и считывающее устройство (микроскоп PDMS) были интегрированы.
Protocol
Representative Results
Discussion
Выходное смещение развивалось линейно с силой, сосредоточенной в свободном конце пучка кантилевера, и соответствовало симуляциям FEA. Чувствительность усилителей составила 36,55 х 0,53 евро/мкм для нейлона и 36,03 х 1,34 евро/мкм для АБС. Стабильная чувствительность подтвердила осуществимость ?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была финансово поддержана Национальным научным фондом Китая (Грант No 51805009).
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. |
Referencias
- Laramore, D., Walter, W., Bahadori, A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 155 (8), 209-212 (2019).
- Hu, D., Song, B., Dang, L., Zhang, Z. Effect of strain rate on mechanical properties of the bamboo material under quasi-static and dynamic loading condition. Composite Structures. 200 (4), 635-646 (2018).
- Mattana, G., Briand, D. Recent advances in printed sensors on foil. Materials Today. 19 (2), 88-99 (2016).
- Laramore, D., McNeil, W., Bahadori, A. A. Design of a micro-nuclear-mechanical system for strain measurement. Radiation Physics and Chemistry. 281, 258-263 (2018).
- Enser, H., Sell, J. K., Hilber, W., Jakoby, B. Printed strain sensors in organic coatings: In depth analysis of sensor signal effects. Sensors and Actuators A: Physical. 19 (2), 88-99 (2016).
- Kelb, C., Reithmeier, E., Roth, B. Foil-integrated 2D Optical Strain Sensors. Procedia Technology. 15, 710-715 (2014).
- Osborn, W., Friedman, L. H., Vaudin, M. Strain measurement of 3D structured nanodevices by EBSD. Ultramicroscopy. 184, 88 (2018).
- Liu, F., Guo, C., Xin, R., Wu, G., Liu, Q. Evaluation of the reliability of twin variant analysis in Mg alloys by in situ EBSD technique. Journal of Magnesium and Alloys. 150 (4), 184-198 (2019).
- Lin, X., Zhang, H., Guo, Z., Chang, T. Strain engineering of friction between graphene layers. Journal of Tribology International. 131 (8), 686-693 (2019).
- Shingo, O. Long-range measurement of Rayleigh scatter signature beyond laser coherence length based on coherent optical frequency domain reflectometry. Journal of Optics Express. 24 (17), 19651 (2016).
- Davis, C., Tejedor, S., Grabovac, I., Kopczyk, J., Nuyens, T. High-Strain Fiber Bragg Gratings for Structural Fatigue Testing of Military Aircraft. Journal of Photonic Sensors. 2 (3), 215-224 (2012).
- Peng, J., Jia, S., Jin, Y., Xu, S., Xu, Z. Design and investigation of a sensitivity-enhanced fiber Bragg Grating sensor for micro-strain measurement. Journal of Sensors and Actuators. 285, 437-447 (2019).
- Hong, C. Y., Zhang, Y. F., Yang, Y. Y., Yuan, Y. An FBG based displacement transducer for small soil deformation measurement. Sensors and Actuators A: Physical. 286, 35-42 (2019).
- Sánchez, D. Z., Gresil, M., Soutis, C. Distributed internal strain measurement during composite manufacturing using optical fibre sensors. Composites Science and Technology. 120, 49-57 (2015).
- Castillo, D. R., Allen, T., Henry, R., Giffith, M., Ingham, J. Digital image correlation (DIC) for measurement of strains and displacements in coarse, low volume-fraction FRP composites used in civil infrastructure. Composite Structures. 212 (10), 43-57 (2019).
- Badadani, V., Sriranga, T. S., Srivatsa, S. R. Analysis of Uncertainty in Digital Image Correlation Technique for Strain Measurement. Materials Today: Proceedings. 5 (10), 20912-20919 (2018).
- Gao, C., Zhang, Z., Amirmaleki, M., Tam, J., Sun, Y. Local strain mapping of GO nanosheets under in situ TEM tensile testing. Applied Materials Today. 14, 102-107 (2018).
- Chine, C. H., Su, T. H., Huang, C. J., Chao, Y. J. Application of digital image correlation (DIC) to sloshing liquids. Optics and Lasers in Engineering. 115, 42-52 (2019).
- Zhang, F., Chen, Z., Zhong, S., Chen, H., Wang, H. W. Strain measurement of particle reinforced composites at microscale: an approach towards concurrent characterization of strain and microstructure. Micron. , (2019).
- Vogel, J. H., Lee, D. An automated two-view method for determining strain distributions on deformed surfaces. Journal of Materials Shaping Technology. 6 (4), 205-216 (1988).
- Zymelka, D., Yamashita, T., Takamatsu, S., Kobayashi, T. Thin-film flexible sensor for omnidirectional strain measurements. Journal of Sensors and Actuators. 263, 391-397 (2017).
- Li, R., Zhang, K., Cai, L., Chen, G., He, M. Highly stretchable ionic conducting hydrogels for strain/tactile sensors. Polymer. 167 (12), 154-158 (2019).
- Liu, H., Macqueen, L. A., Usprech, J. F., Maleki, H. Microdevice arrays with strain sensors for 3D mechanical stimulation and monitoring of engineered tissues. Biomaterials. 172, 30-40 (2018).
- Bolotin, K. I., Sikes, K. J., Jiang, Z., Stormer, H. L. Ultrahigh electron mobility in suspended Graphene. Solid State Communications. 146 (9-10), 351-355 (2008).
- Smith, A. D., et al. Electromechanical piezoresistive sensing in suspended graphene membranes. Nano Letters. 13 (7), 3237-3242 (2013).
- Zhao, J., Wang, G., Yang, R., Lu, X., Cheng, M. Tunable piezoresistivity of nanographene films for strain sensing. ACS Nano. 9 (2), 1622-1629 (2015).
- Bae, S. H., Lee, Y. B., Sharma, B. K. Graphene-based transparent strain sensor. Carbon. 51, 236-242 (2013).
- Boland, C. S., Khan, U. Sensitive electromechanical sensors using viscoelastic graphene polymer nanocomposites. Science. 354 (6317), 1257-1260 (2016).
- Sung, Y. L., Jeang, J., Lee, C. H., Shih, W. C. Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assisted in situ curing of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy. Journal of Biomedical Optics. 20 (4), 047005 (2015).
