Produktion av en stammätanordning med en förbättrad 3D-skrivare
Summary
Detta arbete presenterar en stammätsensor som består av en förstärkningsmekanism och ett polydimetylsiloxanmikroskop som tillverkas med hjälp av en förbättrad 3D-skrivare.
Abstract
En traditionell stammätsensor måste elektrifieras och är mottaglig för elektromagnetiska störningar. För att lösa fluktuationerna i den analoga elektriska signalen i en traditionell stammätaråtgärd presenteras här en ny stammätmetod. Den använder en fotografisk teknik för att visa stamförändringen genom att förstärka ändringen av mekanismens pekarförskjutning. En visuell polydimetylsiloxan (PDMS) objektiv med en brännvidd på 7,16 mm lades till en smartphone kamera för att generera en lins grupp som fungerar som ett mikroskop för att fånga bilder. Den hade en motsvarande brännvidd på 5,74 mm. Akrylnitrilbutadienstyren (ABS) och nylonförstärkare användes för att testa påverkan av olika material på sensorns prestanda. Produktionen av förstärkare och PDMS-objektiv bygger på förbättrad 3D-utskriftsteknik. De erhållna uppgifterna jämfördes med resultaten från finite elementanalys (FEA) för att kontrollera deras giltighet. ABS-förstärkarens känslighet var 36,03 ± 1,34 με/μm och nylonförstärkarens känslighet var 36,55 ± 0,53 με/μm.
Introduction
Att få lätta men starka material är särskilt viktigt i den moderna industrin. Materialens egenskaper påverkas när de utsätts för stress, tryck, vridning och böjningsvibration er under användning1,2. Således är stammätning av material viktigt att analysera deras hållbarhet och felsöka användning. Sådana mätningar gör det möjligt för ingenjörer att analysera materialens hållbarhet och felsöka produktionsproblem. Den vanligaste stammätmetoden inom industrin använder stamsensorer3. Traditionella foliesensorer används ofta på grund av deras låga kostnader och god tillförlitlighet4. De mäter förändringarna i elektriska signaler och omvandlar dem till olika utgångssignaler5,6. Denna metod utelämnar dock detaljerna i stamprofilen i det uppmätta objektet och är känslig för buller från vibrationella elektromagnetiska störningar med analoga signaler. Att utveckla exakta, mycket repeterbara och enkla metoder för att mäta materialpåfrestningar är viktigt inom teknik. Således studeras andra metoder.
Under de senaste åren har nanomaterial väckt stort intresse från utredarna. För att mäta påfrestningar på små föremål föreslog Osborn et al.7,8 en metod för att mäta stammen av 3D-nanomaterial med elektronbackscatter (EBSD). Med hjälp av molekylär dynamik undersökte Lina et al.9 grafens friktionsstamsteknik. Distribuerade optiska fiber stam mätningar med Rayleigh backscatter spektroskopi (RBS) har använts i stor utsträckning vid feldetektering och för utvärdering av optiska enheter på grund av deras höga rumsliga upplösning och känslighet10. Gallerfiberoptik (FBG)11,12 distribuerade stamsensorer har använts ofta för mätning av högprecisionsbelastning 13 för deras känslighet för temperatur och belastning. För att övervaka de stamförändringar som orsakas av härdning efter harts injektion, Sanchez et al.14 inbäddade en fiberoptisk sensor i en epoxi kolfiber platta och mätte hela stamprocessen. Differentialinterferenskontrast (DIC) är en kraftfull mätmetod för fältdeformationen15,16,17 som används ofta samt18. Genom att jämföra ändringarna av uppmätta ytgrå nivåer i de insamlade bilderna analyseras deformationen och stammen beräknas. Zhang et al.19 föreslog en metod som bygger på införandet av förstärkta partiklar och DIC bilder att utvecklas från traditionella DIC. Vogel och Lee20 beräknade stamvärden med hjälp av en automatisk tvåvymetod. Under de senaste åren har detta möjliggjort samtidig mikrostrukturobservation och påfrestning sionmätning i partikelförstärkta kompositer. Traditionella stamsensorer mäter endast effektivt påfrestningar i en riktning. Zymelka et al.21 föreslog en rundstrålande flexibel stamsensor som förbättrar en traditionell stammätarmetod genom att upptäcka förändringar i sensorresistansen. Det är också möjligt att mäta påfrestningar med hjälp av biologiska eller kemiska ämnen. Till exempel är joniska ledande hydrogeler ett effektivt alternativ till stam/taktila sensorer på grund av deras goda dragegenskaper och hög känslighet22,23. Grafen och dess kompositer har utmärkta mekaniska egenskaper och ger en hög transportör rörlighet tillsammans med god piezoresistivity24,25,26. Grafenbaserade stamsensorer har därför använts i stor utsträckning vid övervakning av elektronisk hudhälsa, bärbar elektronik och andra fält27,28.
I detta arbete presenteras en konceptuell stammätning med hjälp av ett polydimetylsiloxan (PDMS) mikroskop och ett amplifieringssystem. Enheten skiljer sig från en traditionell belastningsmätare eftersom den inte kräver kablar eller elektriska anslutningar. Dessutom kan förskjutning observeras direkt. Förstärkningsmekanismen kan placeras på vilken plats som helst på det testade objektet, vilket avsevärt ökar mätrepetitionens repeterbarhet. I denna studie gjordes en sensor och en stamförstärkare av 3D-tryckteknik. Vi förbättrade först 3D-skrivaren för att öka dess effektivitet för våra krav. En sfärisk extrudering skonstruerades för att ersätta den traditionella enmaterialextruder som kontrolleras av skivningsprogramvaran för att slutföra omvandlingen av metall- och plastmunstyckena. Motsvarande gjutning plattform ändrades, och förskjutning-avsenning enhet (förstärkare) och avläsningsanordningen (PDMS mikroskop) integrerades.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utfallsförskjutningen utvecklades linjärt med den kraft som koncentrerades vid den fria änden av cantileverstrålen och överensstämde med FEA-simuleringarna. Förstärkarens känslighet var 36,55 ± 0,53 με/μm för nylon och 36,03 ± 1,34 με/μm för ABS. Den stabila känsligheten bekräftade genomförbarheten och effektiviteten hos rapid prototyping av högprecisionssensorer med 3D-utskrift. Förstärkaren hade en hög känslighet och var fria från elektromagnetiska störningar. Dessutom hade de en enkel stru…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes ekonomiskt av National Science Foundation of China (Grant nr 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. |
Referências
- 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).
