إنتاج جهاز قياس السلالة مع طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة
Summary
يقدم هذا العمل مستشعر قياس السلالة الذي يتكون من آلية تضخيم ومجهر بوليديميثيلسيلوكسان المصنعباستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد محسنة.
Abstract
يجب كهربة مستشعر قياس السلالات التقليدي ويكون عرضة للتداخل الكهرومغناطيسي. من أجل حل التقلبات في الإشارة الكهربائية التناظرية في عملية قياس سلالة التقليدية، يتم تقديم طريقة قياس سلالة جديدة هنا. ويستخدم تقنية التصوير الفوتوغرافي لعرض تغيير سلالة عن طريق تضخيم تغيير إزاحة المؤشر من الآلية. تمت إضافة عدسة بوليديميثيل سيلوكسان البصرية (PDMS) مع البعد البؤري من 7.16 ملم إلى كاميرا الهاتف الذكي لتوليد مجموعة عدسة تعمل كمجهر لالتقاط الصور. وكان له طول بؤري مكافئ قدره 5.74 ملم. Acrylonitrile butadiene الستايرين (ABS) واستخدمت مكبرات النايلون لاختبار تأثير مواد مختلفة على أداء أجهزة الاستشعار. ويستند إنتاج مكبرات الصوت وعدسة PDMS على تحسين تكنولوجيا الطباعة 3D. وقورنت البيانات التي تم الحصول عليها بالنتائج المستمدة من تحليل العناصر المحدودة للتحقق من صحتها. وكانت حساسية مكبر الصوت ABS 36.03 ± 1.34 μа/μm، وكانت حساسية مكبر النايلون 36.55 ± 0.53 μа/μm.
Introduction
الحصول على مواد خفيفة ولكن قوية مهم بشكل خاص في الصناعة الحديثة. تتأثر خصائص المواد عند التعرض للإجهاد والضغط والالتواء واهتزاز الانحناء أثناء الاستخدام1و2. وبالتالي ، فإن قياس السلالة من المواد مهم لتحليل متانتها واستكشاف الأخطاء وإصلاحها الاستخدام. تمكن هذه القياسات المهندسين من تحليل متانة المواد واستكشاف مشاكل الإنتاج. الطريقة الأكثر شيوعا قياس سلالة في الصناعة يستخدم أجهزة استشعار سلالة3. وتستخدم على نطاق واسع أجهزة استشعار احباط التقليدية بسبب تكلفتها المنخفضة وموثوقية جيدة4. أنها تقيس التغيرات في الإشارات الكهربائية وتحويلها إلى إشارات إخراج مختلفة5،6. ومع ذلك ، فإن هذه الطريقة تستبعد تفاصيل ملف تعريف السلالة في الجسم المقاس وهي عرضة للضوضاء من التداخل الكهرومغناطيسي الاهتزازي مع الإشارات التناظرية. تطوير دقيقة، وتكرار للغاية، وسهلة طرق قياس سلالة المواد مهم في الهندسة. وهكذا، تجري دراسة أساليب أخرى.
في السنوات الأخيرة، أثارت المواد النانوية الكثير من الاهتمام من المحققين. لقياس الضغط على الأجسام الصغيرة، اقترح أوزبورن وآخرون7،8 طريقة لقياس سلالة المواد النانوية ثلاثية الأبعاد باستخدام التشتت الخلفي للإلكترون (EBSD). باستخدام الديناميات الجزيئية، حققت لينا وآخرون9 في هندسة سلالة الاحتكاك بين الطبقات من الجرافين. وقد تم توزيع قياسات سلالة الألياف البصرية باستخدام التحليل الطيفي التشتت الخلفي رايلي (RBS) على نطاق واسع في الكشف عن خطأ وتقييم الأجهزة البصرية نظرا لدقة المكانية العالية والحساسية10. صريف الألياف البصرية (FBG)11،12 تم توزيع أجهزة استشعار سلالة تستخدم على نطاق واسع لقياس سلالة عالية الدقة13 لحساسيتها لدرجة الحرارة والإجهاد. من أجل رصد التغيرات في السلالة الناجمة عن العلاج بعد حقن الراتنج ، قام Sanchez وآخرون14 بتضمين مستشعر ألياف بصرية في لوحة ألياف الكربون الايبوكسي وقياس عملية السلالة الكاملة. تباين تباين التداخل التباين (DIC) هو وسيلة قياس قوية من تشوه الحقل15،16،17 التي تستخدم على نطاق واسع وكذلك18. من خلال مقارنة التغيرات في مستويات الرمادي السطحية المقاسة في الصور التي تم جمعها ، يتم تحليل التشوه ، ويتم حساب السلالة. واقترح تشانغ وآخرون19 طريقة تعتمد على إدخال الجسيمات المقوىوصور الاستراتيجية للحد من الفقر لتتطور من DIC التقليدية. Vogel و Lee20 قيم السلالة المحسوبة باستخدام طريقة عرض اثنين تلقائية. وفي السنوات الأخيرة، مكّن ذلك من رصد الهيكل المجهري في وقت واحد وقياس السلالات في المركبات المعززة بالجسيمات. أجهزة استشعار سلالة التقليدية قياس فعال فقط سلالة في اتجاه واحد. اقترح Zymelka وآخرون21 مستشعر إجهاد مرن متعدد الاتجاهات يحسن طريقة قياس السلالة التقليدية من خلال الكشف عن التغيرات في مقاومة أجهزة الاستشعار. من الممكن أيضًا قياس السلالة باستخدام المواد البيولوجية أو الكيميائية. على سبيل المثال ، هيدروجيلس التوصيل الأيوني ة هي بديل فعال لاستشعار السلالة / اللمس بسبب خصائصها الجيدة للشد والحساسية العالية22،23. الجرافين والمركبات لها خصائص ميكانيكية ممتازة وتوفير التنقل الناقل عالية جنبا إلى جنب مع piezoresistivity جيدة24،25،26. ونتيجة لذلك، وقد استخدمت على نطاق واسع أجهزة استشعار سلالة المستندة إلى الجرافين في رصد صحة الجلد الإلكترونية، والالكترونيات التي يمكن ارتداؤها، وغيرها من المجالات27،28.
في هذا العمل ، يتم تقديم قياس الإجهاد المفاهيمي باستخدام مجهر البوليديميثيلسيلوكسان (PDMS) ونظام التضخيم. يختلف الجهاز عن مقياس السلالة التقليدي لأنه لا يتطلب أسلاكًا أو توصيلات كهربائية. وعلاوة على ذلك، يمكن ملاحظة التشرد مباشرة. يمكن وضع آلية التضخيم في أي مكان على الجسم المختبر ، مما يزيد بشكل كبير من تكرار القياسات. في هذه الدراسة ، تم إجراء جهاز استشعار ومكبر للصوت سلالة من قبل تكنولوجيا الطباعة ثلاثية الأبعاد. لقد قمنا أولاً بتحسين الطابعة ثلاثية الأبعاد لزيادة كفاءتها لتلبية متطلباتنا. تم تصميم جهاز قذف كروي ليحل محل الطارد التقليدي أحادي المادة الذي يتحكم فيه برنامج التقطيع لإكمال تحويل الفوهات المعدنية والبلاستيكية. تم تغيير منصة صب المقابلة، وتم دمج جهاز استشعار الإزاحة (مكبر للصوت) وجهاز القراءة (مجهر PDMS).
Protocol
Representative Results
Discussion
تطور إزاحة الإخراج خطياً مع تركيز القوة في الطرف الحر من شعاع الكانتيليفر وكان متسقاً مع محاكاة FEA. وكانت حساسية مكبرات الصوت 36.55 ± 0.53 ميكرور/ميكرومتر للنايلون و36.03 ± 1.34 ميكرور/ميكرومتر للABS. وأكدت الحساسية المستقرة جدوى وفعالية النماذج الأولية السريعة لأجهزة الاستشعار عالية الدقة باستخدا…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وقد تم دعم هذا العمل مالياً من قبل المؤسسة الوطنية الصينية للعلوم (المنحة رقم 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. |
References
- 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).
