تطبيق جوانب التصميم في تطوير آلة تحميل أونياكسيال
Summary
نقدم هنا بروتوكولا لتطوير جهاز تحميل أونياكسيال نقية. ويعمل جوانب التصميم الحاسم لضمان نتائج اختبار دقيقة واستنساخه.
Abstract
فيما يتعلق بالتجارب الميكانيكية صحيحة ودقيقة، تشغيل آلات التواصل. بينما منصات تجارية توفر دقة ممتازة، يمكن أن تكون باهظة التكلفة، غالباً بأسعار في نطاق السعر مبلغ 100,000-200,000 دولار. من ناحية أخرى هي الأجهزة اليدوية القائمة بذاتها التي غالباً ما عدم التكرار والدقة (مثلاً، جهاز الساعد يدوي). ومع ذلك، إذا كان هو رد على استخدام واحد، أنها الإفراط الهندسية للتصميم وآله شيئا أكثر من اللازم وضع. ومع ذلك، هناك مناسبات حيث تصمم الآلات وبني المنزل لإنجاز اقتراح لا يمكن تحقيقه مع الأجهزة الموجودة في المختبر. ووصف بالتفصيل هنا هو واحد مثل هذا الجهاز. فمن منصة تحميل يمكن تحميل أونياكسيال نقية. آلات التحميل القياسية عادة بياكسيال في أن يحدث تحميل خطي على طول المحور وتحميل دوارة تحدث حول المحور. أثناء اختبار مع هذه الآلات، يتم تطبيق حمولة إلى نهاية واحدة من العينة بينما الطرف الآخر يظل ثابتاً. هذه الأنظمة ليست قادرة على إجراء اختبار المحوري الصرفة التي توتر/ضغط يطبق بالتساوي على طرفي العينة. يتيح منصة وضعت في هذه الورقة بتكافؤ والعكس تحميل العينات. في حين يمكن استخدامه لضغط، هنا التركيز على استخدامها في الصرفة الشد تحميل. الجهاز يتضمن خلايا الحمل التجارية والمحركات (المحرك)، وكما الحال مع الأجهزة بنيت داخل المنظمة، إطار يتم تشكيلة للاحتفاظ بأجزاء تجارية وتركيبات للاختبار.
Introduction
اختبار الميكانيكية له تاريخ مثيرة لاهتمام والتي يمكن أن ترجع إلى الصلادة اختبار المعدات التي وضعتها “ستانلي روكويل” في وقت مبكر في القرن الحادي والعشرين. وفي حين نمت التكنولوجيا بقدر ما دليل الممارسات القياسية، وتوثيق كل شيء من تحقق أداء الجهاز للمبادئ التوجيهية للاضطلاع باختبارات محددة1،2،3، 4-واليوم، تجري اختبارات ميكانيكية على كل شيء من مواد البناء مثل الأسمنت والصلب والخشب للمواد الغذائية والمنسوجات المنتجات5،6،،من78،9 . ونظرا لأن الحقول للهندسة الطبية الحيوية، وعلى وجه التحديد، ستتخلص الاستفادة من التجارب الميكانيكية، آلات تحميل شائعة في مختبرات الميكانيكا الحيوية.
تحميل آلات تشغيل نطاق مقياس في الميكانيكا الحيوية. على سبيل مثال، يمكن استخدام أكبر تحميل آلات إجراء دراسات الأثر الكامل للجسم أو تحديد الخواص الميكانيكية فخذي البشرية، أثناء تحميل أصغر آلات يمكن استخدامها لاختبار العظام مورين أو تنشيط الخلايا10،11، 13،،من 1214. تم العثور على نوعين من تحميل الأجهزة في المختبر التجارب؛ تلك التي يتم شراؤها تجارياً وتلك التي تم إنشاؤها بواسطة المستخدم. هي غالباً ما يفضل تحميل آلات تطويره داخليا ل خيارات التخصيص والتخصيص على15.
في الاختبار، وعينه هو المضمون في الجهاز حيث أنه يمكن تطبيقها تشرد، توليد قوة قابلة لقياس. إذا تم استخدام التحميل كردود فعل القيادة، الاختبار تسيطر عليها الحمل؛ إذا تم استخدام التشريد كردود فعل القيادة، الاختبار تسيطر على التشرد. تحميل آلات، وبصفة عامة، تستند إلى إطار الذي يتصل محرك لدعم ثابت. اختبار عموما ينطوي على هذا النحو، نهاية واحد من العينة نقله بينما الطرف الآخر يظل ثابتاً.
هو مبين في الشكل رقم 1 رسم آلة تحميل بسيط مما يدل على عناصرها الأساسية. الحريات الأساسية لجميع آلات التحميل هو قاعدة أو الإطار. في حين الغالبية العظمى من الماركات التجارية الاستفادة من قاعدة ثابتة، يصور الرسم منصة تسمح مستو (س ص) حركة. في هذه الحالة، هو المحرك، القسم العلوي من الذراع الذي يحمل خلية تحميل وتحركها محرك السائر. تعلق على الإطار هي مواعيد المباريات التي عقد العينة وتملي نوع الاختبار الذي يتم تشغيله. يظهر في الرسم تركيبات بيند ثلاث نقاط. المباراة أعلى (جهة واحدة) هي التي شنت في الذراع المتحرك. المباراة أسفل (جهة الاتصال المزدوج) هي التي شنت على قاعدة ثابتة. أثناء الاختبار، محركات السيارات المباراة الأعلى إلى الأسفل بحيث يشارك مركز الاتصال العينة. كما يشارك الاتصال العينة، خلية التحميل يسجل الزيادة في المقاومة أو القوة المفروضة على العينة.
وهناك مناسبات حيث تصمم الآلات وبني المنزل لإنجاز اقتراح لا يمكن تحقيقه مع الأجهزة الموجودة في المختبر. هنا يصف لنا بالتفصيل واحد مثل هذا الجهاز. هو منصة تحميل العينة أونياكسيال نقي يمكن تحميل أو متساوية والعكس الحركة في كلا طرفي. الجهاز يتضمن خلايا الحمل التجارية والمحركات (المحرك)؛ إطار هو تشكيلة للاحتفاظ بأجزاء تجارية وتحميل المباريات لعينات الاختبار. فهم المبادئ الأساسية لاختبار آلة البناء يمكن أن تساعد في تصميم واحد الخاصة بالجهاز. ونحن قد وفرت الملفات الرسومية خلقنا كنقطة انطلاق لمساعدة الباحثين بتطوير الجهاز الخاصة بهم. الفيديو ستركز على الجمعية العامة للجهاز وتطبيق مبادئ التصميم الميكانيكي لضمان الاتساق واختبار موثوق بها.
Protocol
Representative Results
Discussion
وكان الهدف من هذا العمل لتصميم واختلاق محمل أونياكسيال فعالة من حيث التكلفة وموثوق بها للاستخدام مع عينات صغيرة الحجم مثل الأنسجة والألياف. وقد شيد جهاز التي تفي بالشروط المنصوص عليها في حين يجري أيضا ما يكفي من المرونة في التصميم للسماح لمرفقات جديدة تكون ملفقة كما يحتاج المستخدم تنمو. ع…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل NIDCR الصحة معاهد وطنية [DE022664].
Materials
| Power supply, 24 V DC 2.5 A out, 100-240 V AC in, plug for North America | Zaber Technologies inc | PS05-24V25 | |
| 6 pin mini din-male to female PS/2 extension cable | Zaber Technologies inc | T-DC06 | |
| Stepper motor controller, 2 phase | Zaber Technologies inc | A-MCA | |
| Linear actuator, NEMA size 11, 30 mm travel, 58 N maximum continuous thrust | Zaber Technologies inc | NA11B30 | |
| Corrosion resistant maintenance-Free Ball Bearing Carriages and Guide Rails | McMaster-Carr | 9184T31 | |
| 6061-t6 Aluminum Stock | McMaster-Carr | NA | |
| Plexiglas Stock | McMaster-Carr | NA | |
| Canister load cell, 4.5N | Honeywell Sensotec | NA | |
| USB to 6 pin mini-din | Universal | NA |
References
- . ASTM E4-16. Standard practices for force verification of testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016)
- . ASTM E2309/E2309M-16. Standard practices for verification of displacement measuring systems and devices used in materials testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2016)
- . ASTM E2428-15a. Standard practice for calibration and verification of torque transducers Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2015)
- . ASTM E2624-17. Standard practice for torque calibration of testing machines Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017)
- . ASTM C39 – Standard test method for compressive strength of cylindrical concrete specimens Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2018)
- . ASTM A370-17a. Standard test methods and definitions for mechanical testing of steel products Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2017)
- . ASTM D4761-13. Standard test methods for mechanical properties of lumber and wood-base structural material Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2013)
- Green, M. L., et al. Mechanical properties of cheese, cheese analogues and protein gels in relation to composition and microstructure. Food Structure. 5 (1), 169-192 (1986).
- . ASTM D76/D76M-11. Standard specification for tensile testing machines for textiles Available from: https://www.astm.org/Standard/standards-and-publications.html (2011)
- Papini, M., Zdero, R., Schemitsch, E. H., Zalzal, P. The biomechanics of human femurs in axial and torsional loading: comparison of finite element analysis, human cadaveric femurs, and synthetic femurs. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (1), 12-19 (2007).
- Poulet, B., et al. Intermittent applied mechanical loading induces subchondral bone thickening that may be intensified locally by contiguous articular cartilage lesions. Osteoarthritis and Cartilage. 23 (6), 940-948 (2015).
- Li, J., et al. Osteoblasts subjected to mechanical strain inhibit osteoclastic differentiation and bone resorption in a co-culture system. Annals of Biomedical Engineering. 41 (10), 2056-2066 (2013).
- Huang, A. H., et al. Design and use of a novel bioreactor for regeneration of biaxially stretched tissue-engineered vessels. Tissue Engineering. Part C, Methods. 21 (8), 841-851 (2015).
- Keyes, J. T., Haskett, D. G., Utzinger, U., Azhar, M., Van de Geest, J. P. Adaptation of a planar microbiaxial optomechanical device for the tubular biaxial microstructural and macroscopic characterization of small vascular tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 133 (7), 075001 (2011).
- Brown, T. D. Techniques for mechanical stimulation of cells in vitro: A review. Journal of Biomechanics. 33 (1), 3-14 (2000).
- . Zaber Console software download Available from: https://www.zaber.com/zaber-software (2018)
- King, J. D., York, S. L., Saunders, M. M. Design, fabrication and characterization of a pure uniaxial microloading system for biologic testing. Medical Engineering and Physics. 38 (4), 411-416 (2016).
- Saunders, M. M., Donahue, H. J. Development of a cost-effective loading machine for biomechanical evaluation of mouse transgenic models. Medical Engineering and Physics. 26 (7), 595-603 (2004).
