Produktion af en strain-måleenhed med en forbedret 3D-printer
Summary
Dette arbejde præsenterer en stamme målesensor bestående af en forstærkning mekanisme og en polydimethylsiloxanmikroskop fremstillet ved hjælp af en forbedret 3D-printer.
Abstract
En traditionel stammemålingssensor skal elektrificeres og er modtagelig for elektromagnetisk interferens. For at løse udsvingene i det analoge elektriske signal i en traditionel belastningsmåleroperation præsenteres her en ny stammemålingsmetode. Det bruger en fotografisk teknik til at vise stammen ændring ved at forstærke ændringen af markøren forskydning af mekanismen. En visuel polydimethylsiloxan (PDMS) linse med en brændvidde på 7,16 mm blev tilføjet til en smartphone kamera til at generere en linse gruppe fungerer som et mikroskop til at tage billeder. Det havde en tilsvarende brændvidde på 5,74 mm. Acrylonitrile butadiene styren (ABS) og nylon forstærkere blev brugt til at teste indflydelsen af forskellige materialer på sensoren ydeevne. Produktionen af forstærkere og PDMS linse er baseret på forbedret 3D-print teknologi. De opnåede data blev sammenlignet med resultaterne fra analyse af finite element (FEA) for at kontrollere deres gyldighed. ABS-forstærkerens følsomhed var 36,03 ± 1,34 με/μm, og nylonforstærkerens følsomhed var 36,55 ± 0,53 με/μm.
Introduction
Det er særlig vigtigt at få lette, men stærke materialer i moderne industri. Materialernes egenskaber påvirkes, når de udsættes for stress, tryk, torsion og bøjningsvibrationer under brug1,2. Således stamme måling af materialer er vigtigt at analysere deres holdbarhed og fejlfinding brug. Sådanne målinger gør det muligt for ingeniører at analysere holdbarheden af materialer og foretage fejlfinding af produktionsproblemer. Den mest almindelige belastningsmålingsmetode i industrien bruger stammesensorer3. Traditionelle folie sensorer er meget udbredt på grund af deres lave omkostninger og god pålidelighed4. De måler ændringerne i elektriske signaler og konverterer dem til forskellige udgangssignaler5,6. Denne metode udelader dog detaljerne i stammeprofilen i det målte objekt og er modtagelig for støj fra vibrationel elektromagnetisk interferens med analoge signaler. Udvikling af nøjagtige, meget repeterbare og nemme materialestammemålemetoder er vigtigt inden for teknik. Der undersøges således andre metoder.
I de senere år har nanomaterialer fået stor interesse fra efterforskere. For at måle belastningen på små genstande foreslog Osborn et al.7,8 en metode til at måle stammen af 3D-nanomaterialer ved hjælp af elektronbackscatter (EBSD). Ved hjælp af molekylær dynamik undersøgte Lina et al.9 grafens mellemlagsfriktionsstammeteknik. Distribuerede optiske fiber stamme målinger ved hjælp af Rayleigh backscatter spektroskopi (RBS) har været meget udbredt i fejldetektering og til evaluering af optiske enheder på grund af deres høje rumlige opløsning og følsomhed10. Rist fiberoptiske (FBG)11,12 distribuerede stamme sensorer har været meget anvendt til højpræcisions stamme måling13 for deres følsomhed over for temperatur og belastning. For at overvåge belastningsændringer forårsaget af hærdning efter harpiksinjektion, indembeddede Sanchez et al.14 en fiberoptisk sensor i en epoxykulfiberplade og målte hele belastningsprocessen. Differentialinterferenskontrast (DIC) er en effektiv målemetode for feltdeformationen15,16, 17, som er almindeligt anvendt , samt18. Ved at sammenligne ændringerne af målte overfladegrå niveauer i de indsamlede billeder analyseres deformationen, og stammen beregnes. Zhang et al.19 foreslog en metode, der bygger på indførelsen af forstærkede partikler og DIC-billeder til at udvikle sig fra traditionelle DIC. Vogel og Lee20 beregnede belastningsværdier ved hjælp af en automatisk tovisningsmetode. I de senere år har dette gjort det muligt samtidig mikrostrukturobservation og strain measurement i partikelforstærkede kompositter. Traditionelle stammesensorer måler kun effektivt belastning i én retning. Zymelka et al.21 foreslog en retningsbestemt fleksibel stammesensor, der forbedrer en traditionel strain gauge metode ved at opdage ændringer i sensorenmodstand. Det er også muligt at måle stamme ved hjælp af biologiske eller kemiske stoffer. For eksempel er ioniske ledende hydrogeler et effektivt alternativ til stamme/taktile sensorer på grund af deres gode trækegenskaber og høj følsomhed22,23. Graphene og dens kompositter har fremragende mekaniske egenskaber og giver en høj bæremobilitet sammen med god piezoresistivitet24,25,26. Derfor har grafen-baserede stamme sensorer været meget udbredt i elektronisk overvågning af hudens sundhed, bærbar elektronik, og andre felter27,28.
I dette arbejde præsenteres en konceptuel stammemåling ved hjælp af et polydimethylsiloxan (PDMS) mikroskop og et forstærkningssystem. Enheden er forskellig fra en traditionel belastningsmåler, fordi den ikke kræver ledninger eller elektriske forbindelser. Desuden kan forskydning observeres direkte. Forstærkningsmekanismen kan placeres når som helst på det testede objekt, hvilket i høj grad øger repeterbarheden af målingerne. I denne undersøgelse blev der foretaget en sensor og en stammeforstærker af 3D-printteknologi. Vi har først forbedret 3D-printeren for at øge effektiviteten af vores krav. En sfærisk ekstruderingsanordning var designet til at erstatte den traditionelle enkeltmaterialeekstruder, der kontrolleres af udskæringssoftwaren, for at fuldføre omdannelsen af metal- og plastdyserne. Den tilsvarende støbning platform blev ændret, og forskydning-sensing enhed (forstærker) og læseanordning (PDMS mikroskop) blev integreret.
Protocol
Representative Results
Discussion
Udgangsforskydningen udviklede sig lineært med kraften koncentreret i den frie ende af cantilever strålen og var i overensstemmelse med FEA simuleringer. Forstærkeres følsomhed var 36,55 ± 0,53 με/μm for nylon og 36,03 ± 1,34 με/μm for ABS. Den stabile følsomhed bekræftede gennemførligheden og effektiviteten af den hurtige prototyping af højpræcisionssensorer ved hjælp af 3D-print. Forstærkere havde en høj følsomhed og var fri for elektromagnetisk interferens. Desuden havde de en simpel struktur, en …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet økonomisk af National Science Foundation of China (Grant 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. |
Riferimenti
- 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).
