Anvendelse av Design aspekter i Uniaxial lasting maskin utvikling
Summary
Her presenterer vi en protokoll for å utvikle en ren uniaxial lasting maskin. Kritiske design aspekter er ansatt for å sikre nøyaktig og reproduserbar testing resultater.
Abstract
I nøyaktig og presis mekanisk testing, kjører maskiner kontinuum. Mens kommersielle plattformer tilbyr førsteklasses nøyaktighet, kan de være kostnadseffektive uoverkommelige, ofte er priset på $100.000 – $200.000 prisklasse. På den andre ytterligheten er frittstående manuelle enheter som ofte mangel repeterbarhet og nøyaktighet (f.eks, en manuell sveiv enhet). Men hvis en enkelt bruker er angitt, er det over engineering design og maskin noe altfor utdype. Likevel, det er tilfeller der maskiner er designet og bygget i huset for å oppnå en bevegelse ikke oppnåelig med de eksisterende maskinene i laboratoriet. Beskrevet i detalj her er en slik enhet. Det er en lasting plattform som gjør at ren uniaxial lasting. Standard lasting maskiner vanligvis er biaxial lineær lasting inntreffer langs aksen og roterende lasting skjer om aksen. Under testing med disse maskinene, brukes en belastning på ene enden av prøven mens den andre enden er fast. Disse systemene kan ikke utføre ren aksial testing som spenning og-komprimering brukes like til prøven ender. Plattformen utviklet i notatet aktiverer lik og motsatt lasting av prøvene. Mens det kan brukes for komprimering, lastes her fokus på sin bruk i ren strekk. Enheten omfatter kommersielle veieceller og aktuatorer (movers), og som er tilfellet med maskiner bygget i huset, en ramme er maskinert kommersielle delene og inventar for testing.
Introduction
Mekanisk testing har en interessant historie som kan spores tilbake til hardhet prøveutstyr utviklet av Stanley Rockwell tidlig i det tjuende århundre. Mens teknologien har vokst i den grad at standard, dokumentert praksis guide alt fra kontroll av maskinen ytelse retningslinjer for å utføre spesifikke tester1,2,3, 4. i dag, mekanisk tester er utført på alt fra byggematerialer som betong, stål og tre til mat og tekstil produkter5,6,7,8,9 . Gitt at biomedisinsk engineering og, mer spesifikt, biomekanikk benytte mekanisk testing, er lasting maskiner vanlig i biomekanikk labs.
Laster inn maskiner kjører området skala i biomekanikk. Som et eksempel, kan større lasting maskiner brukes til å gjennomføre hele kroppen innvirkning studier eller menneskelig femur mekaniske egenskaper, mens mindre lasting maskiner kan brukes til å teste murine bein eller stimulere celler10,11, 12,13,14. To typer lasting maskiner finnes i det tester laboratoriet; de som er kjøpt kommersielt og de som er bygget av brukeren. Lasting maskiner egenutviklede er ofte foretrukket for sine personliggjøring og tilpasning alternativer15.
I testing, er en prøve sikret i maskinen slik at en forskyvning kan brukes, genererer en målbar kraft. Hvis belastningen er brukt som kjører tilbakemeldinger, er testen belastning-kontrollerte; Hvis Forskyvning brukes som kjørende tilbakemeldinger, er testen forskyvning-kontrollert. Lasting maskiner, generelt, er bygget på en ramme som kobler en mover til en fast støtte. Slik innebærer tester vanligvis en ende av prøven flyttes mens den andre enden er fast.
Vist i figur 1 er en skisse av en enkel lessing maskin demonstrere grunnleggende komponentene. Grunnleggende til alle lasting maskiner er en base eller ramme. Mens de aller fleste kommersielle merkevarer benytte en fast base, viser tegningen en plattform som tillater plan (XY) bevegelse. En flyttepeker, i dette tilfellet er øvre arm som holder en belastning celle og er drevet av en stepper motor. Festet til rammen er inventar som holder prøven og diktere typen av test som kjøres. Tre-punkts sving inventar vises i tegningen. Topp lampen (enkeltkontakt) er montert til flytte armen; bunnen lampen (dobbel kontakten) er montert til stasjonære basen. Under testing kjører motoren øvre lampen nedover til der senteret kontakt engasjerer prøven. Som kontakten engasjerer prøven, registrerer Last cellen økning i motstand eller styrken plassert på prøven.
Det er tilfeller der maskiner er designet og bygget i huset for å oppnå en bevegelse ikke oppnåelig med de eksisterende maskinene i laboratoriet. Her beskrive vi i detalj en slik enhet. Det er en lasting plattform som muliggjør ren uniaxial prøven lasting eller lik og motsatt bevegelse i begge ender. Enheten omfatter kommersielle veieceller og aktuatorer (movers); en ramme er maskinert kommersielle delene og lasting inventar for prøven testing. Forstå de grunnleggende prinsippene for testing maskinbygging kan hjelpe i utformingen av en egen maskin. Vi har gitt tegningsfilene vi laget som utgangspunkt å hjelpe forskere med sin egen maskin utvikling. Videoen vil fokusere på montering av enheten og anvendelse av mekanisk designprinsipper å sikre justering og pålitelig testing.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet med dette arbeidet var å designe og utvikle en kostnadseffektiv og pålitelig uniaxial loader for bruk med småskala prøver som vev og fiber. En enhet ble bygget som oppfyller kravene fastsatt samtidig være fleksibel nok i å tillate nye vedlegg til fremstille som brukeren må vokse. For eksempel vil enheten tillate testing av tørre og våte eksemplarer i en uniaxial eller fast-end konfigurasjon.
Avgjørende skritt i design og fabrikasjon av noen lasting enheten inkludere hensynet t…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av den nasjonale institutter helse NIDCR [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).
