Application des Aspects de la conception dans le développement de Machine uniaxiale
Summary
Nous présentons ici un protocole visant à développer une machine de pure uniaxiale. Aspects de conception critiques sont employées pour s’assurer des résultats de tests précis et reproductibles.
Abstract
En ce qui concerne les essais mécaniques exactes et précises, les machines fonctionnent le continuum. Alors que les plates-formes commerciales offrent excellente précision, ils peuvent être coûteux, souvent au prix dans la fourchette de prix de $ 100 000 – $ 200 000. A l’autre extrême sont des appareils manuels autonomes qui souvent manque de répétabilité et précision (par exemple, un dispositif manuel de manivelle). Toutefois, si une seule utilisation est indiquée, c’est trop technique à la conception et de la machine, quelque chose de trop d’élaborer. Néanmoins, il y a des occasions où les machines sont conçus et construits en interne pour accomplir une requête non réalisable avec les machines existantes dans le laboratoire. Décrit en détail ici, est un tel dispositif. C’est une plate-forme de chargement qui permet uniaxiale pure. Machines de chargement standard sont généralement biaxiales car chargement linéaire se produit le long de l’axe et rotatif chargement se produit autour de l’axe. Au cours des essais avec ces machines, une charge est appliquée à une extrémité de l’échantillon tandis que l’autre extrémité reste fixe. Ces systèmes ne sont pas capables de mener des essais axiale pure dans laquelle de traction/compression est appliquée également jusqu’aux extrémités de l’échantillon. La plate-forme développée dans cet article permet l’égale et opposée de chargement d’échantillons. Alors qu’il peut être utilisé pour la compression, ici l’accent sur son utilisation en pure traction charge. Le dispositif incorpore commercial capteurs et actionneurs (déménageurs) et, comme c’est le cas avec les machines réalisées en interne, un cadre est usiné pour tenir les pièces commerciales et les montages d’essai.
Introduction
Essais mécaniques a une histoire intéressante qui remonte à l’équipement développé par Stanley Rockwell au début du XXe siècle d’essai de dureté. Alors que la technologie a augmenté dans la mesure où des pratiques standards et documentés tout guident de la vérification des performances de la machine aux lignes directrices pour la réalisation de tests spécifiques1,2,3, 4. aujourd’hui, les essais mécaniques sont effectuées sur tout, des matériaux comme le béton, l’acier et bois, alimentaire et textile produits5,6,7,8,9 de construction . Étant donné que les domaines du génie biomédical et, plus précisément, la biomécanique utilisent les essais mécaniques, machines de chargement sont monnaie courante dans les laboratoires de la biomécanique.
Chargement des machines à exécuter la gamme de balance en biomécanique. À titre d’exemple, les grandes machines de chargement peuvent être utilisés pour mener des études d’impact sur tout le corps ou déterminer les propriétés mécaniques humaines fémorales, pendant le chargement de petite machines peuvent être utilisées pour tester les os murins ou stimuler les cellules10,11, 12,13,14. Deux types de chargement des machines sont trouvent dans le laboratoire d’essais ; ceux qui sont achetés dans le commerce et ceux qui sont générés par l’utilisateur. Chargement de machines développées en interne sont souvent favorisés pour leurs options de personnalisation et personnalisation15.
Dans les essais, un spécimen est attaché dans la machine permettant un déplacement peut être appliqué, générant une force mesurable. Si la charge est utilisée comme les réactions motrices, le test est charge contrôlée ; Si le déplacement est utilisé comme le feedback de conduite, le test est contrôlée par déplacement. Chargement des machines, en général, sont construits sur un châssis qui relie un déménageur à un support fixe. Ainsi, généralement, le test consiste à une extrémité de l’échantillon étant déplacé tandis que l’autre extrémité reste fixe.
Illustré à la Figure 1 est un croquis d’une machine de chargement simple démontrant ses composantes essentielles. Fondamentale pour toutes les machines de chargement est une base ou un cadre. Alors que la grande majorité des marques commerciales utilise une base fixe, le dessin représente une plate-forme qui permet un mouvement planaire (XY). Le mover, dans ce cas, est le bras qui tient un peson et est entraîné par un moteur pas à pas. Fixé au châssis sont les luminaires qui détiennent le spécimen et dictent le type de test est exécuté. Indiqué sur le dessin sont trois points de coude. L’armature supérieure (le contact unique) est monté sur le bras de mouvement ; le montage du bas (le double contact) est monté à la base stationnaire. Au cours des essais, le moteur actionne l’armature supérieure vers le bas à où le centre de contact s’engage le spécimen. Lorsque le contact s’engage le spécimen, le peson enregistre l’augmentation dans la résistance ou la force placée sur le spécimen.
Il y a des occasions où les machines sont conçus et construits en interne pour accomplir une requête non réalisable avec les machines existantes dans le laboratoire. Ici, nous décrivons en détail un tel dispositif. C’est une plate-forme de chargement qui permet pur spécimen uniaxiale chargement ou égale et opposée de mouvement aux deux extrémités. Le dispositif incorpore commercial capteurs et actionneurs (déménageurs) ; un cadre est usiné pour tenir les pièces commerciales et des accessoires de chargement pour échantillon test. Comprendre les principes fondamentaux de la construction de machine test peut aider à la conception de sa propre machine. Nous avons fourni les fichiers de dessin, nous avons créé comme point de départ pour aider les chercheurs à leur propre développement de la machine. La vidéo se concentrera sur l’ensemble du dispositif et l’application des principes de conception mécanique pour assurer l’alignement et des tests fiables.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’objectif de ce travail a été de concevoir et fabriquer un chargeur uniaxial rentable et fiable pour son utilisation avec petits échantillons tels que les tissus et fibres. Un dispositif a été construit qui satisfait aux exigences énoncées tout en étant suffisamment souples dans la conception permettant de nouvelles pièces jointes à être fabriqué comme l’utilisateur a besoin de grandir. Par exemple, le dispositif permettra l’analyse des échantillons secs et humides dans une configuration uniaxiale ou …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par la National instituts de santé 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).
