הפקה של התקן מדידת מתח עם מדפסת תלת-ממד משופרת
Summary
עבודה זו מציגה חיישן מדידה של מתח המורכב של מנגנון הגברה ומיקרוסקופ polydiמתיל siloxane מיוצר באמצעות מדפסת תלת-ממד משופרת.
Abstract
חיישן מדידה המסורתית צריך להיות מחושמל והוא פגיע הפרעה אלקטרומגנטית. כדי לפתור את התנודות באות החשמל האנלוגי בפעולת מד הזנים המסורתית, מוצגת כאן שיטת מדידה חדשה למדידת זנים. היא משתמשת בטכניקת צילום כדי להציג את שינוי המתח על-ידי הגברה של השינוי של התזוזה של המצביע של המנגנון. ויזואלית polydiמתיל siloxane (PDMS) עדשה עם אורך מוקד של 7.16 mm נוספה למצלמת הטלפון החכם כדי ליצור קבוצה עדשה מתנהג כמיקרוסקופ ללכוד תמונות. היה לו אורך מוקד שווה ערך של 5.74 מ”מ. מגברי אקרילוניטריל (ABS) ומגברים ניילון שימשו כדי לבחון את ההשפעה של חומרים שונים על ביצועי החיישן. הייצור של מגברים ו-PDMS עדשה מבוססת על טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית משופרת. הנתונים שהושגו הושוו עם התוצאות מניתוח האלמנטים הסופיים כדי לאמת את חוקיותן. הרגישות של מגבר ABS היה 36.03 ± 1.34 με/μm, ואת הרגישות של מגבר ניילון היה 36.55 ± 0.53 με/μm.
Introduction
השגת חומרים קלים אך חזקים במיוחד בתעשייה המודרנית. מאפייני החומרים מושפעים כאשר הם חשופים לחץ, לחץ, פיתול, וכיפוף רטטבמהלךהשימוש 1,2. לפיכך, מדידת המתח של חומרים חשוב לנתח את העמידות שלהם ולפתור שימוש. מדידות אלה מאפשרות למהנדסים לנתח את עמידות החומרים ולפתור בעיות בייצור. המדידה השכיחה ביותר שיטת מדידה בתעשייה משתמשת חיישנים זן3. חיישני רדיד מסורתיים נמצאים בשימוש נרחב בשל עלותו הנמוכה ואמינות טובה4. הם מודדים את השינויים אותות חשמליים ולהמיר אותם אותות פלט שונים5,6. עם זאת, שיטה זו משאירה את הפרטים של פרופיל המתח באובייקט הנמדד והוא חשוף לרעש מהפרעות אלקטרומגנטיות של הפרעה אלקטרומגנטית עם אותות אנלוגיים. פיתוח מדויק, מאוד לשחזור, וקלה חומרים מדידה שיטות חשוב בהנדסה. לכן, שיטות אחרות נחקרו.
בשנים האחרונות, נאנחומרים. התעניינו הרבה בחוקרים כדי למדוד את המתח על אובייקטים קטנים, אוסבורן ואח ‘7,8 הציע שיטה כדי למדוד את הנבג של 3d ננו באמצעות אלקטרון לפיזור (ebsd). שימוש בדינמיקה מולקולרית, לינה ואח ‘9 חקרה את הנדסת החיכוך הבין-שכבות של גראפן. סיבים אופטיים מבוזרים להתאמץ מדידות באמצעות ספקטרוסקופית לאחור ריילי (RBS) כבר בשימוש נרחב באיתור תקלות להערכת התקנים אופטיים בשל רזולוציה גבוהה מרחבית ורגישות10. פומפיה סיבים אופטיים (fbg)11,12 חיישנים מבוזרים מפוזרים כבר בשימוש נרחב למדידת דיוק גבוהה מדידה13 עבור הרגישות שלהם לטמפרטורה ולהתאמץ. על מנת לפקח על שינויי המתח שנגרמו על ידי ריפוי לאחר הזרקה שרף, סאנצ’ס ואח ‘14 מוטבע חיישן סיב אופטי לתוך צלחת פחמן אפוקסי סיבי למדוד את תהליך המתח המלא. ניגודיות הפרעות דיפרנציאליות (DIC) היא שיטת מדידה רבת עוצמה של דפורמציה של השדה15,16,17 הנמצא בשימוש נרחב גם כ-18. על-ידי השוואת השינויים ברמות האפורות של פני השטח הנמדד בתמונות שנאספו, הדפורמציה מנותח והזן מחושב. ג’אנג ואח ‘19 הציעה שיטה המסתמכת על הקדמה של חלקיקים מחוזקים ותמונות dic כדי להתפתח מ-dic המסורתי. ווגל ולי20 ערכי מאמץ מחושבים באמצעות שיטה אוטומטית בעלת שתי תצוגות. בשנים האחרונות, זה איפשר התבוננות מיקרו מבנה סימולטני ומדידת מאמץ הקומפוזיטורית מחוזק חלקיקים. חיישני מאמץ מסורתיים רק ביעילות למדוד זן בכיוון אחד. Zymelka ואח ‘21 הציע חיישן זן גמיש רב כיווני המשפר את מד המתח המסורתי השיטה על ידי זיהוי שינויים התנגדות חיישן. ניתן גם למדוד את המתח באמצעות חומרים ביולוגיים או כימיים. לדוגמה, הידרו-ג’ל מוליך ביונית הם חלופה יעילה למתח/חיישנים מישוש עקב תכונות מתיחה טובה שלהם רגישות גבוהה22,23. גראפן והקומפוזיטורית שלה יש תכונות מכניות מעולה ולספק ניידות הספק גבוה יחד עם piezoresistivity טוב24,25,26. כתוצאה מכך, מבוסס גראפן חיישנים להתאמץ כבר בשימוש נרחב ניטור בריאות העור האלקטרוני, אלקטרוניקה לבישים, ושדות אחרים27,28.
בעבודה זו, מדידה מאמץ קונספטואלי באמצעות מיקרוסקופ polydiמתיל siloxane (PDMS) ומערכת הגברה מוצג. המכשיר שונה מד זן מסורתי מכיוון שהוא אינו דורש חוטים או חיבורי חשמל. יתר על כן, העקירה ניתן לצפות ישירות. מנגנון הגברה ניתן למקם בכל מיקום על האובייקט נבדק, אשר מגדיל מאוד את החזרה של המידות. במחקר זה, חיישן ומגבר מאמץ נעשו על ידי טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית. שיפרנו לראשונה את מדפסת תלת-ממד כדי להגביר את יעילותה לדרישות שלנו. מכשיר שחול כדורי תוכנן להחליף את הבלטת ממד המסורתי היחיד שנשלט על-ידי תוכנת הפריסה כדי להשלים את ההמרה של חרירי המתכת והפלסטיק. פלטפורמת היציקה המתאימה השתנתה, והמכשיר לחישה (מגבר) ומכשיר הקריאה (מיקרוסקופ PDMS) שולבו.
Protocol
Representative Results
Discussion
העקירה פלט התפתחו בצורה קווית עם הכוח מרוכז בקצה החופשי של קרן הזיז והיה עקבי עם הסימולציות המציעות. הרגישות של מגברים היה 36.55 ± 0.53 με/μm עבור ניילון 36.03 ± 1.34 με/μm עבור ABS. רגישות יציבה אישר את הכדאיות ואת האפקטיביות של אבי טיפוס מהירה של חיישנים בדיוק גבוהה באמצעות הדפסה תלת-ממדית. הגברים היו…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו היתה נתמכת כספית על ידי הקרן הלאומית למדע של סין (גרנט 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. |
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).
