改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造
Summary
改良された3Dプリンターを用いて製造された増幅機構とポリジメチルシロキサン顕微鏡からなる歪み測定センサを紹介します。
Abstract
従来の歪み測定センサーは、電化が必要で、電磁干渉を受けやすい。従来の歪みゲージ動作でアナログ電気信号の変動を解決するために、新しい歪み測定方法が紹介されています。この方法では、機構のポインタ変位の変化を増幅して歪みの変化を表示する写真技術を用いる。焦点距離7.16mmの視覚ポリジメチルシロキサン(PDMS)レンズをスマートフォンカメラに加え、顕微鏡として働くレンズ群を生成して画像をキャプチャしました。それは、5.74 mmの同等の焦点距離を有し、アクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)とナイロンアンプは、センサ性能に異なる材料の影響をテストするために使用しました。アンプとPDMSレンズの生産は、改良された3Dプリント技術に基づいています。得られたデータを有限要素解析(FEA)の結果と比較し、その有効性を検証した。ABSアンプの感度は36.03±1.34μm/μmで、ナイロン増幅器の感度は36.55±0.53με/μmであった。
Introduction
光だが強い材料を得ることは、現代の産業において特に重要である。材料の特性は、使用中の応力、圧力、トーション、曲げ振動を1,2で受けた場合に影響を受けます。そのため、材料のひずみ測定は、その耐久性を分析し、使用法をトラブルシューティングする上で重要です。このような測定により、エンジニアは材料の耐久性を分析し、生産上の問題をトラブルシューティングすることができます。業界で最も一般的な歪み測定方法は、歪みセンサ3を使用しています。従来のフォイルセンサは、低コストで信頼性の高い4で広く使用されています。電気信号の変化を測定し、それらを異なる出力信号5,6に変換します。しかし、この方法では、測定対象物の歪みプロファイルの詳細が省け、アナログ信号による振動電磁干渉によるノイズの影響を受けやすくなります。正確で再現性が高く、容易な材料ひずみ測定方法の開発は、エンジニアリングにおいて重要です。したがって、他の方法が研究されている。
近年、ナノ材料は研究者から多くの関心を集めています。小物の歪みを測定するために、オスボーンら7,8は電子後方散乱(EBSD)を用いて3Dナノ材料の歪みを測定する方法を提案した。Lina et al.9は分子動力学を用いてグラフェンの層間摩擦歪工学を調査した。レイリー後方散乱分光法(RBS)を用いた分散光ファイバ歪み測定は、その高い空間分解能および感度10による光デバイスの評価や故障検出に広く用いられている。グレーチング光ファイバ(FBG)11,12分散歪みセンサは、温度および歪みに対する感度の高精度歪み測定13に広く使用されています。樹脂注入後の硬化による歪みの変化を監視するために、Sanchez et al.14はエポキシ炭素繊維板に光ファイバーセンサーを埋め込み、完全な歪みプロセスを測定した。微差干渉コントラスト(DIC)は、フィールド変形15、16、17の強力な測定方法であり、18と同様に広く使用されている。収集した画像における測定された表面グレイレベルの変化を比較することにより、変形を解析し、歪みを計算する。Zhangら19は、従来のDICから進化する強化粒子およびDIC画像の導入に依存する方法を提案した。フォーゲルと Lee20は、自動 2 ビュー方式を使用してひずみ値を計算しました。近年、粒子強化複合材料における微細構造観察と歪み測定を同時に実現しました。従来の歪みセンサは、一方向にのみ歪みを効果的に測定します。Zymelka et al.21は、センサ抵抗の変化を検出することによって従来の歪みゲージ法を改善する全方向性柔軟な歪みセンサを提案した。また、生物または化学物質を用いて歪みを測定することもできる。例えば、イオン伝導性ヒドロゲルは、その良好な引張特性および高感度22、23による歪み/触覚センサに対する効果的な代替手段である。グラフェンとその複合材料は、優れた機械的特性を有し、良好な圧電抵抗率24、25、26と共に高いキャリア移動性を提供する。その結果、グラフェンベースの歪みセンサは、電子皮膚健康監視、ウェアラブルエレクトロニクス、および他の分野27、28で広く使用されている。
本研究では、ポリジメチルシロキサン(PDMS)顕微鏡と増幅系を用いた概念ひずみ測定を行う。それはワイヤーまたは電気接続を必要としないので、デバイスは従来のひずみゲージとは異なります。また、変位は直接観察することができる。増幅機構は、テスト対象物上の任意の位置に配置することができ、測定の再現性を大幅に向上させます。本研究では、3Dプリンティング技術によりセンサと歪みアンプを作りました。我々は最初に我々の要件のためのその効率を高めるために3Dプリンタを改善しました。球状押し出し装置は金属およびプラスチックノズルの転換を完了するためにスライスソフトウェアによって制御される従来の単一材料の押出機を置き換えるように設計されていた。対応する成形プラットフォームを変更し、変位検出装置(増幅器)と読み取り装置(PDMS顕微鏡)を一体化した。
Protocol
Representative Results
Discussion
出力変位は、片持梁ビームの自由端に集中した力とともに直線的に進化し、FEA シミュレーションと一致していました。アンプの感度は、ナイロンの場合は36.55±0.53με/μm、ABSの場合は36.03±1.34με/μmでした。安定した感度により、3Dプリンティングを用いた高精度センサの迅速な試作の実現可能性と有効性が確認されました。アンプは感度が高く、電磁干渉が発生しなくて良かった。また、シ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、中国国立科学財団(グラントNo.51805009)によって財政的に支援されました。
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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