Producción de un dispositivo de medición de tensión con una impresora 3D mejorada
Summary
Este trabajo presenta un sensor de medición de tensión que consiste en un mecanismo de amplificación y un microscopio de polidimetilsiloxano fabricado con una impresora 3D mejorada.
Abstract
Un sensor de medición de tensión tradicional debe electrificarse y es susceptible a interferencias electromagnéticas. Con el fin de resolver las fluctuaciones en la señal eléctrica analógica en una operación de medidor de tensión tradicional, se presenta un nuevo método de medición de tensión aquí. Utiliza una técnica fotográfica para mostrar el cambio de tensión amplificando el cambio del desplazamiento del puntero del mecanismo. Se añadió una lente visual de polidimetilsiloxano (PDMS) con una distancia focal de 7,16 mm a una cámara de teléfono inteligente para generar un grupo de lentes que actúa como un microscopio para capturar imágenes. Tenía una distancia focal equivalente de 5,74 mm. Acrilonitrilo butadieno estireno (ABS) y amplificadores de nylon se utilizaron para probar la influencia de diferentes materiales en el rendimiento del sensor. La producción de los amplificadores y la lente PDMS se basa en la tecnología de impresión 3D mejorada. Los datos obtenidos se compararon con los resultados del análisis de elementos finitos (FEA) para verificar su validez. La sensibilidad del amplificador ABS era de 36,03 a 1,34 o/m, y la sensibilidad del amplificador de nylon era de 36,55 a 0,53 o de mm.
Introduction
La obtención de materiales ligeros pero fuertes es particularmente importante en la industria moderna. Las propiedades de los materiales se ven afectadas cuando se someten a tensión, presión, torsión y vibración de flexión durante el uso1,2. Por lo tanto, la medición de la tensión de los materiales es importante para analizar su durabilidad y solucionar problemas de uso. Estas mediciones permiten a los ingenieros analizar la durabilidad de los materiales y solucionar problemas de producción. El método de medición de deformación unitaria más común en la industria utiliza sensores de tensión3. Los sensores de lámina tradicionales son ampliamente utilizados debido a su bajo costo y buena confiabilidad4. Miden los cambios en las señales eléctricas y los convierten en diferentes señales de salida5,6. Sin embargo, este método deja fuera los detalles del perfil de tensión en el objeto medido y es susceptible al ruido de interferenciaelectromagnética vibratoria con señales analógicas. El desarrollo de métodos de medición de deformación unitaria de material precisos, altamente repetibles y fáciles es importante en la ingeniería. Por lo tanto, se están estudiando otros métodos.
En los últimos años, los nanomateriales han sustraído mucho interés por parte de los investigadores. Para medir la tensión en objetos pequeños, Osborn et al.7,8 propusieron un método para medir la tensión de nanomateriales 3D utilizando retrodispersión de electrones (EBSD). Utilizando la dinámica molecular, Lina et al.9 investigaron la ingeniería de tensión de fricción entre capas del grafeno. Las mediciones distribuidas de la tensión de fibra óptica utilizando espectroscopía de retrodispersión (RBS) de Rayleigh se han utilizado ampliamente en la detección de fallas y para la evaluación de dispositivos ópticos debido a su alta resolución espacial y sensibilidad10. Los sensores de tensión distribuidos de fibra óptica (FBG)11y12 han sido ampliamente utilizados para la medición de tensión de alta precisión13 por su sensibilidad a la temperatura y la tensión. Con el fin de monitorear los cambios de tensión causados por el curado después de la inyección de resina, Sanchez et al.14 incrustaron un sensor de fibra óptica en una placa de fibra de carbono epoxi y midieron el proceso de deformación unitaria completo. El contraste de interferencia diferencial (DIC) es un potente método de medición de la deformación de campo15,16,17 que también se utiliza ampliamente18. Al comparar los cambios de los niveles de gris de superficie medidos en las imágenes recopiladas, se analiza la deformación y se calcula la tensión. 19 propusieron un método que se basa en la introducción de partículas reforzadas e imágenes DIC para evolucionar a partir de la DIC tradicional. Vogel y Lee20 calcularon los valores de deformación unitaria utilizando un método automático de dos vistas. En los últimos años, esto permitió la observación simultánea de microestructuras y la medición de deformación unitaria en compuestos reforzados con partículas. Los sensores de tensión tradicionales solo miden eficazmente la tensión en una dirección. 21 propusieron un sensor de tensión flexible omnidireccional que mejora un método de medidor de tensión tradicional mediante la detección de cambios en la resistencia del sensor. También es posible medir la tensión utilizando sustancias biológicas o químicas. Por ejemplo, los hidrogeles conductores iónicos son una alternativa eficaz a los sensores de tensión/táctiles debido a sus buenas propiedades de tracción y alta sensibilidad22,23. El grafeno y sus compuestos tienen excelentes propiedades mecánicas y proporcionan una alta movilidad portadora junto con una buena piezoresistividad24,25,26. En consecuencia, los sensores de tensión a base de grafeno se han utilizado ampliamente en el monitoreo electrónico de la salud de la piel, electrónica portátil y otros campos27,28.
En este trabajo, se presenta una medición de tensión conceptual utilizando un microscopio de polidimetilsiloxano (PDMS) y un sistema de amplificación. El dispositivo es diferente de un medidor de tensión tradicional porque no requiere cables ni conexiones eléctricas. Además, el desplazamiento se puede observar directamente. El mecanismo de amplificación se puede colocar en cualquier lugar del objeto probado, lo que aumenta considerablemente la repetibilidad de las mediciones. En este estudio, un sensor y un amplificador de tensión fueron fabricados por la tecnología de impresión 3D. Primero mejoramos la impresora 3D para aumentar su eficiencia para nuestros requisitos. Un dispositivo de extrusión esférica fue diseñado para reemplazar el extrusor tradicional de un solo material controlado por el software de corte para completar la conversión de las boquillas de metal y plástico. Se cambió la plataforma de moldeo correspondiente, y se integraron el dispositivo de sensor de desplazamiento (amplificador) y el dispositivo de lectura (microscopio PDMS).
Protocol
Representative Results
Discussion
El desplazamiento de salida evolucionó linealmente con la fuerza concentrada en el extremo libre de la viga voladiza y fue consistente con las simulaciones FEA. La sensibilidad de los amplificadores era de 36,55 a 0,53 o/m para el nylon y de 36,03 a 1,34 o 1,34 o 1,34 o 1,34 o /m para el ABS. La sensibilidad estable confirmó la viabilidad y la eficacia de la prototipado rápida de sensores de alta precisión mediante impresión 3D. Los amplificadores tenían una alta sensibilidad y estaban libres de interferencia elect…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado financieramente por 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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