Produzione di un dispositivo di misurazione della deformazione con una stampante 3D migliorata
Summary
Questo lavoro presenta un sensore di misurazione della deformazione costituito da un meccanismo di amplificazione e un microscopio polidimetilsiloxane prodotto utilizzando una stampante 3D migliorata.
Abstract
Un sensore di misurazione della deformazione tradizionale deve essere elettrificato ed è suscettibile di interferenze elettromagnetiche. Per risolvere le fluttuazioni del segnale elettrico analogico in un’operazione di misuratore di deformazione tradizionale, viene presentato un nuovo metodo di misurazione della deformazione. Utilizza una tecnica fotografica per visualizzare il cambiamento di deformazione amplificando il cambiamento di spostamento del puntatore del meccanismo. Un obiettivo polidimetilsiloxane visivo (PDMS) con una lunghezza focale di 7,16 mm è stato aggiunto a una fotocamera per smartphone per generare un gruppo di lenti che funge da microscopio per catturare le immagini. Aveva una lunghezza focale equivalente di 5,74 mm. acrylonitrile butadiene (ABS) e amplificatori in nylon sono stati utilizzati per testare l’influenza di diversi materiali sulle prestazioni del sensore. La produzione degli amplificatori e dell’obiettivo PDMS si basa su una migliore tecnologia di stampa 3D. I dati ottenuti sono stati confrontati con i risultati dell’analisi degli elementi finiti (FEA) per verificarne la validità. La sensibilità dell’amplificatore ABS è stata di 36,03 x 1,34 gradi, e la sensibilità dell’amplificatore in nylon è stata di 36,55 gradi, 0,53 gradi.
Introduction
Ottenere materiali leggeri ma forti è particolarmente importante nell’industria moderna. Le proprietà dei materiali sono influenzate quando sottoposte a sollecitazione, pressione, torsione e vibrazione di piegatura durante l’uso1,2. Pertanto, la misurazione della deformazione dei materiali è importante per analizzarne la durata e risolvere i problemi di utilizzo. Tali misurazioni consentono agli ingegneri di analizzare la durata dei materiali e risolvere i problemi di produzione. Il metodo di misurazione della deformazione più comune nell’industria utilizza sensori di deformazione3. I sensori di lamina tradizionali sono ampiamente utilizzati a causa del loro basso costo e della buona affidabilità4. Misurano i cambiamenti nei segnali elettrici e li convertono in diversi segnali di uscita5,6. Tuttavia, questo metodo esclude i dettagli del profilo di deformazione nell’oggetto misurato ed è suscettibile al rumore dovuto all’interferenza elettromagnetica vibrazionale con i segnali analogici. Lo sviluppo di metodi di misurazione accurati, altamente ripetibili e facili da deformazione dei materiali è importante in ingegneria. Così, altri metodi sono in fase di studio.
Negli ultimi anni, i nanomateriali hanno attirato molto interesse dagli investigatori. Per misurare la varietà su piccoli oggetti, Osborn et al.7,8 ha proposto un metodo per misurare la varietà di nanomateriali 3D utilizzando il backscatter elettronico (EBSD). Utilizzando la dinamica molecolare, Lina e t al.9 hanno studiato l’ingegneria della deformazione di attrito interstrato del grafene. Le misurazioni distribuite della deformazione in fibra ottica mediante la spettroscopia backscatter (RBS) di Rayleigh sono state ampiamente utilizzate nel rilevamento dei guasti e per la valutazione dei dispositivi ottici a causa della loro elevata risoluzione spaziale e sensibilità10. Grattugiare la fibra ottica (FBG)11,12 sensori di deformazione distribuiti sono stati ampiamente utilizzati per la misurazione della deformazione ad alta precisione13 per la loro sensibilità alla temperatura e alla deformazione. Al fine di monitorare i cambiamenti di tensione causati dalla polimerità dopo l’iniezione di resina, Sanchez et al.14 ha incorporato un sensore in fibra di carbonio fibra ottica in una piastra di fibra di carbonio epossidica e ha misurato il processo di deformazione completo. Il contrasto di interferenza differenziale (DIC) è un potente metodo di misurazione della deformazione di campo15,16,17 che è ampiamente utilizzato anche18. Confrontando i cambiamenti dei livelli di grigio di superficie misurati nelle immagini raccolte, la deformazione viene analizzata e la deformazione calcolata. Il19 ha proposto un metodo che si basa sull’introduzione di particelle rinforzate e immagini DIC per evolvere dal DIC tradizionale. Vogel e Lee20 hanno calcolato i valori di deformazione utilizzando un metodo automatico a due visualizzazioni. Negli ultimi anni, ciò ha permesso l’osservazione simultanea della microstruttura e la misurazione della deformazione nei compositi rinforzati con particelle. I sensori di deformazione tradizionali misurano in modo efficace la deformazione in una direzione. Il sistema di deformazione flessibile e di tipo21 ha proposto un sensore di deformazione flessibile omnidirezionale che migliora un metodo tradizionale di misuratore di deformazione rilevando i cambiamenti nella resistenza del sensore. È anche possibile misurare la deformazione utilizzando sostanze biologiche o chimiche. Ad esempio, gli idrogel conduttivi ionici sono un’alternativa efficace ai sensori di deformazione/tattile a causa delle loro buone proprietà di tensione e dell’alta sensibilità22,23. Il grafene e i suoi compositi hanno eccellenti proprietà meccaniche e forniscono un’elevata mobilità portante insieme a una buona piezoresistivity24,25,26. Di conseguenza, i sensori di deformazione a base di grafene sono stati ampiamente utilizzati nel monitoraggio elettronico della salute della pelle, nell’elettronica indossabile e in altri campi27,28.
In questo lavoro, viene presentata una misurazione concettuale della deformazione utilizzando un microscopio polidimetilsiloxanano (PDMS) e un sistema di amplificazione. Il dispositivo è diverso da un misuratore di deformazione tradizionale perché non richiede fili o connessioni elettriche. Inoltre, lo spostamento può essere osservato direttamente. Il meccanismo di amplificazione può essere posizionato in qualsiasi posizione sull’oggetto testato, aumentando notevolmente la ripetibilità delle misurazioni. In questo studio, un sensore e un amplificatore di deformazione sono stati realizzati dalla tecnologia di stampa 3D. Abbiamo prima migliorato la stampante 3D per aumentarne l’efficienza in base alle nostre esigenze. Un dispositivo di estrusione sferica è stato progettato per sostituire il tradizionale estrusore monomateriale controllato dal software di affettatura per completare la conversione degli ugelli metallici e plastici. La piattaforma di stampaggio corrispondente è stata modificata e il dispositivo di rilevamento dello spostamento (amplificatore) e il dispositivo di lettura (microscopio PDMS) sono stati integrati.
Protocol
Representative Results
Discussion
Lo spostamento dell’uscita si è evoluto linearmente con la forza concentrata all’estremità libera del fascio a sbalzo ed è stato coerente con le simulazioni FEA. La sensibilità degli amplificatori è stata di 36,55 s 0,53 s/m per il nylon e di 36,03 gradi per l’ABS. La sensibilità stabile ha confermato la fattibilità e l’efficacia della rapida prototipazione di sensori ad alta precisione utilizzando la stampa 3D. Gli amplificatori avevano un’alta sensibilità ed erano privi di interferenze elettromagnetiche. Inoltr…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalla National Science Foundation of China (Grant n. 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).
