改良された3Dプリンターを用いた歪み測定装置の製造

光だが強い材料を得ることは、現代の産業において特に重要である。材料の特性は^{、使用中の}応力、圧力、トーション、曲げ振動を^1,2で受けた場合に影響を受けます^。そのため、材料のひずみ測定は、その耐久性を分析し、使用法をトラブルシューティングする上で重要です。このような測定により、エンジニアは材料の耐久性を分析し、生産上の問題をトラブルシューティングすることができます。業界で最も一般的な歪み測定方法は、歪みセンサ³を使用しています。従来のフォイルセンサは、低コストで信頼性の高い⁴で広く使用されています。電気信号の変化を測定し、それらを異なる出力信号^5,6に変換します。しかし、この方法では、測定対象物の歪みプロファイルの詳細が省け、アナログ信号による振動電磁干渉によるノイズの影響を受けやすくなります。正確で再現性が高く、容易な材料ひずみ測定方法の開発は、エンジニアリングにおいて重要です。したがって、他の方法が研究されている。

近年、ナノ材料は研究者から多くの関心を集めています。小物の歪みを測定するために、オスボーンら^7,8は電子後方散乱(EBSD)を用いて3Dナノ材料の歪みを測定する方法を提案した。Lina et al.⁹は分子動力学を用いてグラフェンの層間摩擦歪工学を調査した。レイリー後方散乱分光法(RBS)を用いた分散光ファイバ歪み測定は、その高い空間分解能および感度¹⁰による光デバイスの評価や故障検出に広く用いられている。グレーチング光ファイバ(FBG)11,12分散歪みセンサは、温度および歪みに対する感度の高精度歪み測定¹³に広く使用されています。樹脂注入後の硬化による歪みの変化を監視するために、Sanchez et al.¹⁴はエポキシ炭素繊維板に光ファイバーセンサーを埋め込み、完全な歪みプロセスを測定した。微差干渉コントラスト(DIC)は、フィールド変形^15、16、17の強力な測定方法であり^、18と同様に広く使用されている。収集した画像における測定された表面グレイレベルの変化を比較することにより、変形を解析し、歪みを計算する。Zhangら¹⁹は、従来のDICから進化する強化粒子およびDIC画像の導入に依存する方法を提案した。フォーゲルと Lee²⁰は、自動 2 ビュー方式を使用してひずみ値を計算しました。近年、粒子強化複合材料における微細構造観察と歪み測定を同時に実現しました。従来の歪みセンサは、一方向にのみ歪みを効果的に測定します。Zymelka et al.²¹は、センサ抵抗の変化を検出することによって従来の歪みゲージ法を改善する全方向性柔軟な歪みセンサを提案した。また、生物または化学物質を用いて歪みを測定することもできる。例えば、イオン伝導性ヒドロゲルは、その良好な引張特性および高感度^22、23による歪み/触覚センサに対する効果的な代替手段である。グラフェンとその複合材料は、優れた機械的特性を有し、良好な圧電抵抗率^24、25、26と共に高いキャリア移動性を提供する。その結果、グラフェンベースの歪みセンサは、電子皮膚健康監視、ウェアラブルエレクトロニクス、および他の分野^27、28で広く使用されている。

本研究では、ポリジメチルシロキサン(PDMS)顕微鏡と増幅系を用いた概念ひずみ測定を行う。それはワイヤーまたは電気接続を必要としないので、デバイスは従来のひずみゲージとは異なります。また、変位は直接観察することができる。増幅機構は、テスト対象物上の任意の位置に配置することができ、測定の再現性を大幅に向上させます。本研究では、3Dプリンティング技術によりセンサと歪みアンプを作りました。我々は最初に我々の要件のためのその効率を高めるために3Dプリンタを改善しました。球状押し出し装置は金属およびプラスチックノズルの転換を完了するためにスライスソフトウェアによって制御される従来の単一材料の押出機を置き換えるように設計されていた。対応する成形プラットフォームを変更し、変位検出装置(増幅器)と読み取り装置(PDMS顕微鏡)を一体化した。