Tillämpningen av designaspekter i enaxiella lastning maskin utveckling
Summary
Här presenterar vi ett protokoll för att utveckla en ren enaxiella lastning maskin. Kritiska designaspekter används att säkerställa exakta och reproducerbara testresultat.
Abstract
När det gäller korrekt och exakt mekanisk provning, köra maskiner kontinuum. Medan kommersiella plattformar erbjuder utmärkt precision, kan de vara kostnad-oöverkomliga, ofta prissätts i $100.000 – $200,000 prisklass. Den andra ytterligheten är fristående manuell enheter som ofta bristande repeterbarhet och noggrannhet (t.ex., en manuell vev enhet). Om en engångsbruk indikeras, är det dock alltför engineering design och maskin något alltför utarbeta. Trots detta finns det tillfällen där maskiner är konstruerade och byggda internt för att åstadkomma en rörelse som inte uppnås med befintliga maskiner i laboratoriet. Beskrivs i detalj här är en sådan anordning. Det är en lastning plattform som möjliggör ren enaxiella lastning. Standard lastning maskiner är vanligtvis biaxiell däri linjär belastning inträffar längs axeln och roterande lastning kring axeln. Under testning med dessa maskiner, appliceras en belastning till ena änden av preparatet medan andra änden förblir fast. Dessa system klarar inte att bedriva ren axiella testning där spänning/komprimering är tillämpas lika för preparatet ändarna. Den plattform som utvecklats i detta papper möjliggör lika och motsatsen lastning av exemplar. Medan det kan användas för komprimering, laddar här fokus på dess användning i ren draghållfasthet. Enheten innehåller kommersiella lastceller och ställdon (movers) och, vilket är fallet med maskiner byggde egen regi, en ram är bearbetad för att hålla den kommersiella delar och fixturer för testning.
Introduction
Mekanisk provning har en intressant historia som kan spåras tillbaka till hårdhet testutrustning som utvecklats av Stanley Rockwell i början på 1900-talet. Medan tekniken har växt i den utsträckning som standard, dokumenterade metoder vägleda allt från kontrollen av maskinens prestanda till riktlinjerna för att utföra särskilda tester1,2,3, 4. idag, mekaniska tester utförs på allt från byggmaterial såsom betong, stål och trä till mat och textil produkter5,6,7,8,9 . Med tanke på att områdena medicinsk teknik och, mer specifikt, biomekanik utnyttja mekanisk provning, är lastning maskiner vardagsmat i biomekanik labs.
Lastning maskiner kör spänna av skala i biomekanik. Som ett exempel, kan större lastning maskiner användas för att genomföra hela kroppen konsekvensanalyser eller bestämma människors femorala mekaniska egenskaper, medan mindre lastning maskiner kan användas för att testa murina ben eller stimulera celler10,11, 12,13,14. Två typer av lastning maskiner finns i testlaboratoriet; de som köps kommersiellt och de som är byggda av användaren. Lastning maskiner egenutvecklade favoriseras ofta för deras personalisering och anpassning alternativ15.
Testa, är ett exemplar säkrad i maskinen så att en förskjutning kan tillämpas, genererar en mätbar kraft. Om lasten används som drivande feedback, är testet belastningen-kontrollerade; om förskjutningen används som drivande feedback, är testet deplacement-kontrollerade. Lastning maskiner, i allmänhet är byggda på en ram som ansluter en mover till ett fast stöd. Som sådan, innebär testa generellt ena änden av preparatet flyttas medan andra änden förblir fast.
Visas i figur 1 är en skiss av en enkel lastning maskin visar dess grundläggande komponenter. Grundläggande för alla lastning maskiner är en bas eller ram. Medan majoriteten av kommersiella märken använder en fast bas, föreställer ritningen en plattform som tillåter planar (XY) rörelse. Mover, i detta fall, är den övre armen som håller en lastcell och drivs av en stegmotor. Bifogat till ramen finns fixturer som innehar preparatet och diktera vilken typ av test som körs. Ritningen är tre-punkt böjen fixturer. Den översta fixturen (den enda kontakten) är monterad på den rörliga armen; botten fixturen (dubbel kontakten) är monterad till stationära basen. Under provningen driver motorn övre fixturen nedåt till där mitten kontakt engagerar preparatet. Som kontakten hakar preparatet, registrerar lastcell ökningen i motstånd eller den kraft som läggs på preparatet.
Det finns tillfällen där maskiner är konstruerade och byggda internt för att åstadkomma en rörelse som inte uppnås med befintliga maskiner i laboratoriet. Här beskriver vi i detalj en sådan anordning. Det är en lastning plattform som möjliggör ren enaxiella förlagan lastning eller lika och motsatta rörelse i båda ändar. Enheten innehåller kommersiella lastceller och ställdon (movers); en ram är bearbetad för att hålla den kommersiella delar och lastning fixturer för preparatet testning. Förstå de grundläggande principerna för testning Maskinkonstruktion kan stöd i utformningen av den egna maskinen. Vi har lämnat ritningsfiler vi skapat som utgångspunkt att hjälpa forskare med sin egen maskin utveckling. Videon kommer att fokusera på montering av enheten och tillämpningen av mekanisk designprinciper för justering och tillförlitliga tester.
Protocol
Representative Results
Discussion
Målet med detta arbete var att designa och tillverka en kostnadseffektiv och tillförlitlig enaxiella lastare för dess användning med småskaliga prover såsom vävnad och fibrer. En enhet konstruerades som uppfyllde de krav som anges samtidigt vara tillräckligt flexibla i design som möjliggör nya bilagor till vara fabricerade som användaren behöver växa. Exempelvis möjliggör enheten testning av torra och våta prover i en enaxlig eller fast-end konfiguration.
Kritiska steg i design…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av de nationella institut hälsa 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).
