Production d'un dispositif de mesure des souches avec une imprimante 3D améliorée
Summary
Ce travail présente un capteur de mesure de contrainte composé d’un mécanisme d’amplification et d’un microscope polydiméthylsiloxane fabriqué à l’aide d’une imprimante 3D améliorée.
Abstract
Un capteur traditionnel de mesure de la souche doit être électrifié et sensible aux interférences électromagnétiques. Afin de résoudre les fluctuations du signal électrique analogique dans une opération traditionnelle de jauge de contrainte, une nouvelle méthode de mesure de contrainte est présentée ici. Il utilise une technique photographique pour afficher le changement de contrainte en amplifiant le changement du déplacement du pointeur du mécanisme. Un objectif visuel de polydiméthylsiloxane (PDMS) d’une longueur focale de 7,16 mm a été ajouté à une caméra pour smartphone afin de générer un groupe d’objectifs agissant comme un microscope pour capturer des images. Il avait une longueur focale équivalente de 5,74 mm. Styrène butadène acrylonitrile (ABS) et amplificateurs en nylon ont été utilisés pour tester l’influence de différents matériaux sur les performances du capteur. La production des amplificateurs et de l’objectif PDMS est basée sur une technologie d’impression 3D améliorée. Les données obtenues ont été comparées aux résultats de l’analyse des éléments finis (AFE) pour vérifier leur validité. La sensibilité de l’amplificateur ABS était de 36,03 à 1,34 m, et la sensibilité de l’amplificateur en nylon était de 36,55 à 0,53 m.
Introduction
L’obtention de matériaux légers mais solides est particulièrement importante dans l’industrie moderne. Les propriétés des matériaux sont affectées lorsqu’ils sont soumis au stress, à la pression, à la torsion et aux vibrations de flexion pendant l’utilisation1,2. Ainsi, la mesure de la souche des matériaux est importante pour analyser leur durabilité et leur utilisation de dépannage. Ces mesures permettent aux ingénieurs d’analyser la durabilité des matériaux et les problèmes de production de dépannage. La méthode de mesure de contrainte la plus courante dans l’industrie utilise des capteurs de contrainte3. Les capteurs de papier d’aluminium traditionnels sont largement utilisés en raison de leur faible coût et de leur bonne fiabilité4. Ils mesurent les changements dans les signaux électriques et les convertissent en différents signaux de sortie5,6. Cependant, cette méthode laisse de côté les détails du profil de la souche dans l’objet mesuré et est sensible au bruit de l’interférence électromagnétique vibratoire avec des signaux analogiques. Le développement de méthodes précises, hautement répétables et faciles de mesure de la contrainte des matériaux est important dans l’ingénierie. Ainsi, d’autres méthodes sont à l’étude.
Ces dernières années, les nanomatériaux ont suscité beaucoup d’intérêt de la part des chercheurs. Pour mesurer la pression sur les petits objets, Osborn et coll.7,8 ont proposé une méthode pour mesurer la souche de nanomatériaux 3D à l’aide de rétrodiffusion électronique (EBSD). À l’aide de la dynamique moléculaire, Lina et coll.9 ont étudié l’ingénierie de la souche de frottement intercouche du graphène. Les mesures distribuées de la souche de fibre optique utilisant la spectroscopie de rétrodiffusion de Rayleigh (RBS) ont été employées couramment dans la détection de défaut et pour l’évaluation des dispositifs optiques en raison de leur résolution spatiale élevée et de sensibilité10. Grating fibre optique (FBG)11,12 capteurs de contrainte distribués ont été largement utilisés pour la mesure de la souche de haute précision13 pour leur sensibilité à la température et la souche. Afin de surveiller les changements de contrainte provoqués par le durcissement après injection de résine, Sanchez et autres14 ont incorporé un capteur de fibre optique dans une plaque de fibre de carbone d’époxy et ont mesuré le processus complet de contrainte. Le contraste différentiel d’interférence (DIC) est une méthode de mesure puissante de la déformation de champ15,16,17 qui est largement utilisée aussi bien18. En comparant les changements des niveaux gris de surface mesurés dans les images recueillies, la déformation est analysée et la souche calculée. Zhang et coll.19 ont proposé une méthode qui repose sur l’introduction de particules renforcées et d’images DIC pour évoluer à partir du DIC traditionnel. Vogel et Lee20 ont calculé les valeurs de contrainte à l’aide d’une méthode automatique à deux points de vue. Ces dernières années, cela a permis l’observation simultanée de la microstructure et la mesure des souches dans des composites renforcés de particules. Les capteurs de contrainte traditionnels ne mesurent efficacement la souche que dans une seule direction. Zymelka et coll.21 ont proposé un capteur de contrainte flexible omnidirectionnel qui améliore une méthode traditionnelle de jauge de contrainte en détectant les changements dans la résistance du capteur. Il est également possible de mesurer la souche à l’aide de substances biologiques ou chimiques. Par exemple, les hydrogels conducteurs ioniques sont une alternative efficace aux capteurs de contrainte/tactile en raison de leurs bonnes propriétés tendues et de la sensibilité élevée22,23. Le graphène et ses composites ont d’excellentes propriétés mécaniques et offrent une mobilité élevée du transporteur avec une bonne piézoresistivité24,25,26. Par conséquent, les capteurs de contrainte à base de graphène ont été largement utilisés dans la surveillance électronique de la santé de la peau, l’électronique portable, et d’autres domaines27,28.
Dans ce travail, une mesure conceptuelle de contrainte utilisant un microscope de polydimethylsiloxane (PDMS) et un système d’amplification est présentée. L’appareil est différent d’une jauge de contrainte traditionnelle parce qu’il ne nécessite pas de fils ou de connexions électriques. En outre, le déplacement peut être observé directement. Le mécanisme d’amplification peut être placé à n’importe quel endroit sur l’objet testé, ce qui augmente considérablement la répétabilité des mesures. Dans cette étude, un capteur et un amplificateur de contrainte ont été fabriqués par la technologie d’impression 3D. Nous avons d’abord amélioré l’imprimante 3D pour augmenter son efficacité pour nos besoins. Un dispositif d’extrusion sphérique a été conçu pour remplacer l’extrudeur monomatériau traditionnel contrôlé par le logiciel de tranchage pour compléter la conversion des buses métalliques et plastiques. La plate-forme de moulage correspondante a été modifiée, et le dispositif de détection de déplacement (amplificateur) et le dispositif de lecture (microscope PDMS) ont été intégrés.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le déplacement de sortie a évolué linéairement avec la force concentrée à l’extrémité libre du faisceau en porte-à-faux et était compatible avec les simulations FEA. La sensibilité des amplificateurs était de 36,55 à 0,53 m pour le nylon et de 36,03 à 1,34 m pour l’ABS. La sensibilité stable a confirmé la faisabilité et l’efficacité du prototypage rapide des capteurs de haute précision à l’aide de l’impression 3D. Les amplificateurs avaient une sensibilité élevée et étaient exempts d’interférence…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu financièrement par la National Science Foundation of China (Grant No. 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. |
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