Herstellung eines Strain-Messgeräts mit verbessertem 3D-Drucker

Die Gewinnung von leichten, aber starken Materialien ist in der modernen Industrie besonders wichtig. Die Eigenschaften der Materialien werden bei Belastung, Druck, Torsion und Biegeschwingung während des Gebrauchs^1,2beeinflusst. Daher ist die Dehnungsmessung von Materialien wichtig, um deren Haltbarkeit zu analysieren und die Verwendung zu beheben. Solche Messungen ermöglichen es Ingenieuren, die Haltbarkeit von Materialien zu analysieren und Produktionsprobleme zu beheben. Die gängigste Dehnungsmessmethode in der Industrie verwendet Dehnungssensoren³. Herkömmliche Foliensensoren sind aufgrund ihrer niedrigen Kosten und guten Zuverlässigkeit⁴weit verbreitet. Sie messen die Veränderungen der elektrischen Signale und wandeln sie in verschiedene Ausgangssignale^5,6um. Diese Methode lässt jedoch die Details des Dehnungsprofils im gemessenen Objekt aus und ist anfällig für Geräusche durch schwingungs-elektromagnetische Störungen mit analogen Signalen. Die Entwicklung präziser, hochgradig wiederholbarer und einfacher Materialdehnungsmessmethoden ist im Engineering wichtig. Daher werden andere Methoden untersucht.

In den letzten Jahren haben Nanomaterialien großes Interesse von Forschern auf sich gezogen. Um die Belastung kleiner Objekte zu messen, schlugen Osborn et al.^{7 8} eine Methode zur Messung des Stamms von 3D-Nanomaterialien mit Elektronenrückstreuung (EBSD) vor. Mit Hilfe der molekularen Dynamik untersuchten Lina et al.⁹ die Interlayer-Reibungsdehnungstechnik von Graphen. Verteilte optische Faserdehnungsmessungen mit Rayleigh-Rückstreuspektroskopie (RBS) wurden aufgrund ihrer hohen räumlichen Auflösung und Empfindlichkeit¹⁰häufig in der Fehlererkennung und zur Bewertung optischer Geräte eingesetzt. Grating Fiber optic (FBG)^11,12 verteilte Dehnungssensoren wurden weit verbreitet für hochpräzise Dehnungsmessung¹³ für ihre Empfindlichkeit gegenüber Temperatur und Dehnung verwendet. Um die dehnungsveränderungen zu überwachen, die durch die Aushärtung nach der Harzinjektion verursacht werden, haben Sanchez et al.¹⁴ einen Faseroptiksensor in eine Epoxid-Kohlenstofffaserplatte eingebettet und den kompletten Dehnungsprozess gemessen. Differential Interferenzkontrast (DIC) ist eine leistungsfähige Messmethode der Feldverformung^15,16,17, die weit verbreitet ist sowie¹⁸. Durch den Vergleich der Veränderungen der gemessenen Oberflächengrauwerte in den gesammelten Bildern wird die Verformung analysiert und die Dehnung berechnet. Zhang et al.¹⁹ schlugen eine Methode vor, die auf der Einführung verstärkter Partikel und DIC-Bilder beruht, um sich aus dem traditionellen DIC zu entwickeln. Vogel und Lee²⁰ berechneten Dehnungswerte mit einer automatischen Zwei-Ansicht-Methode. In den letzten Jahren ermöglichte dies die gleichzeitige Mikrostrukturbeobachtung und Dehnungsmessung in partikelverstärkten Verbundwerkstoffen. Herkömmliche Dehnungssensoren messen die Belastung nur effektiv in eine Richtung. Zymelka et al.²¹ schlugen einen omnidirektionalen flexiblen Dehnungssensor vor, der eine herkömmliche Dehnungsmessmethode verbessert, indem Veränderungen im Sensorwiderstand erkannt werden. Es ist auch möglich, Stämme mit biologischen oder chemischen Substanzen zu messen. Ionisch leitfähige Hydrogele sind beispielsweise aufgrund ihrer guten Zugeigenschaften und hohen Empfindlichkeit^22,23eine effektive Alternative zu Dehnungs-/Taktsensoren. Graphen und seine Verbundwerkstoffe haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und bieten eine hohe Trägermobilität zusammen mit guter Piezoresistenz^24,25,26. Daher sind Graphen-basierte Dehnungssensoren weit verbreitet in der elektronischen Hautgesundheitsüberwachung, tragbaren Elektronik und anderen Bereichen^27,28verwendet worden.

In dieser Arbeit wird eine konzeptionelle Dehnungsmessung mit einem Polydimethylsiloxan (PDMS) Mikroskop und einem Amplifikationssystem vorgestellt. Das Gerät unterscheidet sich von einem herkömmlichen Dehnungsmessstreifen, da es keine Drähte oder elektrischen Anschlüsse benötigt. Darüber hinaus kann die Verdrängung direkt beobachtet werden. Der Verstärkungsmechanismus kann an jeder beliebigen Stelle auf dem getesteten Objekt platziert werden, was die Wiederholbarkeit der Messungen erheblich erhöht. In dieser Studie wurden ein Sensor und ein Dehnungsverstärker mit 3D-Drucktechnologie hergestellt. Zuerst haben wir den 3D-Drucker verbessert, um seine Effizienz für unsere Anforderungen zu steigern. Eine kugelförmige Extrusionsvorrichtung wurde entwickelt, um den herkömmlichen Einzelmaterialextruder zu ersetzen, der von der Schneidesoftware gesteuert wird, um die Umwandlung der Metall- und Kunststoffdüsen abzuschließen. Die entsprechende Formplattform wurde ausgetauscht und die Verdrängungssensorvorrichtung (Verstärker) und das Lesegerät (PDMS-Mikroskop) integriert.