Un esperimento di simulazione virtuale di meccanica: deformazione e guasto del materiale basato sulla microscopia elettronica a scansione
20 gennaio 2023
Questo lavoro presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale per la deformazione e il cedimento del materiale che fornisce processi sperimentali visualizzati. Attraverso una serie di esperimenti, gli utenti possono familiarizzare con le apparecchiature e apprendere le operazioni in un ambiente di apprendimento immersivo e interattivo.
Il sistema può essere utilizzato per istruire i nostri studenti nei protocolli sperimentali, nell'uso delle attrezzature e nella verifica teorica, consentendo loro di migliorare ripetutamente le loro operazioni e le competenze di laboratorio. Un lato di esperimenti di simulazione virtuale tridimensionale può essere condotto per rilevare la deformazione del materiale e il cedimento senza timore di danneggiare il sistema fisico o ferirsi. Dopo aver effettuato l'accesso e l'accesso all'interfaccia, seguire le indicazioni fornite nell'immagine per raggiungere virtualmente la macchina di prova universale ad alta temperatura e posizionare i campioni di stack tra i morsetti a piastre della macchina.
Una volta evidenziato il computer virtuale sul lato sinistro della macchina di test, fare clic sul computer virtuale e impostare lo schema di test sul computer di controllo della macchina. Quindi fare clic sull'apparecchiatura di riscaldamento e pompaggio del vuoto evidenziata e accendere l'alimentatore. Aprire la pompa meccanica virtuale e la valvola di supporto nell'interfaccia facendo clic sui rispettivi pulsanti evidenziati per completare le impostazioni di controllo del vuoto del sistema.
Sul pannello di controllo della macchina di prova universale dello scorrimento, fare clic sul pulsante Cancella per cancellare i dati, seguito da un clic sul pulsante Esegui per completare l'esperimento di copia del modello sullo stampo sulla lamiera utilizzando il metodo di stampaggio a compressione della piastra parallela. Dopo aver completato la colata dello stampo, fare nuovamente clic sul computer virtuale e controllare i dati sperimentali sul computer di controllo della macchina di prova universale dello scorrimento. Aprire la piastra di copertura sulla macchina metallografica per l'intarsio del campione e posizionare il campione.
Per versare la polvere preparata, fare clic sul polimetilmetacrilato evidenziato o sulla polvere di PMMA. Quindi fare clic sullo stampo evidenziato per posizionarlo sopra la polvere PMMA. Quindi, fare clic sul volantino evidenziato e regolare la posizione dello stampo per coprire automaticamente la piastra di copertura.
Fare clic sul pulsante on, off per accendere la macchina intarsio. Estrarre il campione di PMMA intarsiato dopo il raffreddamento. Entrare nella stanza per la lucidatura e la corrosione seguendo la guida del percorso mostrata nell'immagine.
Trova la lucidatrice evidenziata e fai clic sulla pinza della macchina per montare il campione intarsiato sulla pinza. Impostare la velocità per macinare e lucidare il campione rimuovendo il substrato del materiale stampato. Macinare lo stampo su un lato fino a quando il motivo sullo stampo è esposto.
Per eseguire la caratterizzazione dei campioni, aprire virtualmente l'armadio di stoccaggio chimico ed estrarre l'idrossido di potassio solido. Fare clic sul becher evidenziato e sull'idrossido di potassio solido per la preparazione del liquido di corrosione per ottenere una soluzione di idrossido di potassio al 10%. Selezionare la soluzione di idrossido di potassio evidenziata e il campione per corrodere la scala in un campione metallografico.
Quindi, pulire il campione dopo aver rimosso il substrato di silicio ed eseguire un test caratterizzato con un campione preparato al microscopio ottico. Caricare il campione sullo stadio di campionamento del nanopenetratore e scegliere il cono e il penetratore per montarlo sul driver del sistema di test micro e nano meccanica. Fare clic sull'unità evidenziata per collegarla al nanoindenter.
Dopo aver installato il nanopenetratore e caricato il campione nel software di controllo SEM, fare clic sul pulsante di sfiato. Aprire la camera SEM dopo aver rotto il vuoto, installare il nanopenetratore sullo stadio di campionamento SEM e collegare i fili come mostrato nell'immagine. Quindi aprire il software di controllo del nanopenetratore e selezionare in sequenza l'intervallo di penetratori caricato.
Selezionare il protocollo sperimentale. Avviare il controller e init per avviare l'inizializzazione della fase di esempio. Dopo l'inizializzazione, chiudere la camera SEM e fare clic sul pulsante della pompa sul software di controllo SEM.
Quindi, fare clic sul pulsante su o giù nel software di controllo SEM per regolare la posizione dello stadio campione lungo il campo visivo SEM. Correggi la posizione facendo clic sul pulsante OK. Accendere la pistola elettronica selezionando il pulsante EHT evidenziato.
Passare alla modalità di osservazione al microscopio elettronico selezionando il pulsante della fotocamera. Infine, fai clic su esegui sul software di controllo nanoindenter. Per terminare l'esperimento, fare clic sul pulsante di arresto sul software di controllo del nanoindenter.
Il sistema ha migliorato la progettazione dello schema sperimentale combinandolo con le operazioni, fornendo una convalida immediata. Ad esempio, quando l'utente ha scelto la direzione di posizionamento del campione, l'interfaccia per l'utilizzo della macchina metallografica per l'intarsio del campione ha mostrato i risultati. Allo stesso modo, analizzando il tempo di spostamento risultante e le curve di deformazione da sforzo da un esperimento meccanico interno di una trave micro a sbalzo con crepe presenti, l'utente ha potuto determinare come sono stati ottenuti i risultati.
Nello scenario simulato, gli studenti hanno dovuto valutare le dimensioni del carico e il tempo di caricamento in base al rapporto lunghezza/diametro del campione da preparare prima di condurre esperimenti reologici, invece dell'approccio di prova ed errore spesso utilizzato. Inoltre, con l'esercizio integrato che segue gli esperimenti, gli utenti potrebbero rivedere sistematicamente l'intero processo dell'esperimento e collegare la teoria con la sperimentazione. Utilizzando la simulazione virtuale basata sul web, gli studenti hanno completato in media l'esperimento in circa 73 minuti, verificando l'efficienza dell'approccio.
I risultati degli esami online di due gruppi di studenti di ingegneria meccanica hanno mostrato che quelli con l'esperienza dell'interfaccia virtuale hanno ottenuto risultati migliori rispetto a quelli senza, dimostrando ulteriormente l'efficienza dell'approccio. Questo ha insegnato agli studenti l'interesse per la ricerca e il senso di innovazione addestrandoli a padroneggiare le tecniche di test, il metodo e i principi di esperimenti meccanici avanzati di micro e nano abilità.
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Panoramica
Questo studio presenta un esperimento di simulazione virtuale tridimensionale progettato per l'analisi della deformazione e della rottura dei materiali. Offre un ambiente di apprendimento immersivo in cui gli utenti possono familiarizzare con i protocolli sperimentali e l'equipaggiamento.
Componenti Chiave dello Studio
Area della Scienza
- Scienza dei materiali
- Simulazione virtuale
- Tecnologia educativa
Sfondo
- Importanza dell'esperienza pratica in ambito laboratoriale.
- Sfide associate agli esperimenti pratici nei test dei materiali.
- Necessità di metodi di formazione sicuri ed efficaci.
- Progressi nelle tecnologie di simulazione virtuale.
Scopo dello studio
- Migliorare la comprensione degli studenti riguardo ai protocolli sperimentali.
- Fornire un ambiente sicuro per la pratica delle abilità di laboratorio.
- Visualizzare i processi di deformazione e rottura dei materiali.
Metodi Utilizzati
- Interfaccia di simulazione virtuale tridimensionale.
- Istruzioni guidate per il funzionamento dell'attrezzatura.
- Moduli interattivi di apprendimento per la prova dei materiali.
- Configurazione virtuale di una macchina universale per prove di fluage ad alta temperatura.
Risultati principali
- Gli utenti possono eseguire esperimenti in sicurezza, senza rischi fisici.
- Migliore comprensione di apparecchiature e protocolli.
- Abilità di laboratorio migliorate grazie alla pratica ripetuta.
- I processi sperimentali visualizzati facilitano la verifica teorica.
Conclusioni
- Le simulazioni virtuali sono efficaci ai fini educativi.
- Forniscono un ambiente privo di rischi per l'apprendimento.
- Queste tecnologie possono migliorare in modo significativo l'engagement e la comprensione degli studenti.
Domande frequenti
Rilevanza Industriale del Metodo
La simulazione virtuale della deformazione e della rottura dei materiali mediante microscopia elettronica a scansione (SEM) e nanoindentazione fornisce un ambiente privo di rischi e scalabile per studi meccanicistici in fase iniziale nel settore biofarmaceutico R&Questo approccio consente ai gruppi di lavoro di analizzare le proprietà dei materiali, ottimizzare la progettazione degli esperimenti e convalidare i flussi operativi strumentali prima dell'implementazione fisica. L'integrazione di output interattivi e quantitativi favorisce la fiducia predittiva e accelera la standardizzazione dei metodi nella ricerca preclinica e nella fase di scoperta.
Applicazioni Strategiche nella Biofarmaceutica R&D
Scoperta Precoce e Validazione del Bersaglio
- Permette un'indagine basata su ipotesi della meccanica dei materiali rilevante per lo sviluppo di dispositivi e biomateriali.
- Consente la validazione funzionale delle proprietà meccaniche su scala micro- e nanometrica mediante flussi di lavoro virtualizzati di SEM e nanoindentazione.
- Semplifica la previsione e riduzione dei rischi permettendo la variazione dei parametri e l'analisi delle modalità di guasto senza vincoli legati a risorse fisiche.
Screening e sviluppo di saggi
- Prepara sistemi virtuali validati per lo sviluppo e la standardizzazione di saggi fisici successivi.
- Consente misurazioni riproducibili e quantitative di parametri di deformazione e rottura per analisi comparative.
- Accelera la preparazione per lo screening permettendo un'iterazione rapida delle condizioni e dei protocolli di prova.
Ricerca Translazionale e Preclinica
- Allinea i test meccanici virtuali alla valutazione traslazionale dei biomateriali quando i campioni fisici sono limitati.
- Permette una continuità dalla simulazione nella fase di scoperta alla validazione preclinica delle prestazioni di un dispositivo o materiale.
- Riduce il rischio di fallimento in fasi avanzate identificando in silico soglie meccaniche critiche.
Integrazione di Pipeline e Flusso di Lavoro
Questa piattaforma di simulazione virtuale si colloca all'interfaccia tra la fase iniziale della scoperta, lo sviluppo di saggi e l'ottimizzazione dei modelli preclinici, consentendo test iterativi delle ipotesi e un affinamento dei flussi di lavoro prima dell'esecuzione fisica.
- Biologia della scoperta Supporta il test di ipotesi meccanicistiche e la chiarificazione di percorsi per materiali e dispositivi R&D.
- Screening: Fornisce output quantitativi e riproducibili per il confronto e l'ottimizzazione dei protocolli.
- Analitica: Fornisce curve sforzo-deformazione e spostamento-tempo per un'analisi comparativa affidabile.
- Ricerca traslazionale Collega i dati di simulazione con le metriche di prestazione precliniche per un avanzamento basato sulla valutazione del rischio.
- Riutilizzo aziendale: Offre una piattaforma scalabile e riutilizzabile per la formazione, la validazione dei protocolli e la standardizzazione tra diversi gruppi di lavoro.
Impatto Operativo ed Aziendale
- Valore scientifico: Aumenta la fiducia predittiva e riduce l'ambiguità meccanicistica nei flussi di lavoro relativi a materiali e dispositivi.
- Valore operativo: Migliora la standardizzazione, la riproducibilità e la scalabilità dei protocolli sperimentali.
- Valore strategico: Migliora la qualità delle decisioni di avanzamento o interruzione e l'efficienza del capitale anticipando la valutazione del rischio.
- Impatto sul portafoglio: Permette la priorizzazione e la progressione di candidati materiali e dispositivi corretta in base al rischio.
Considerazioni sull'implementazione
- Richiede competenze specifiche in meccanica dei materiali, utilizzo del microscopio elettronico a scansione (SEM) e analisi mediante nanoindentazione.
- Necessita di un'infrastruttura computazionale robusta e dell'integrazione di software per simulazioni virtuali.
- Traggo beneficio da un allineamento tra team riguardo agli standard di protocollo e all'interpretazione dei dati.
- Adattabile a diverse tipologie di materiali e geometrie di dispositivi, previa parametrizzazione adeguata.
- Dipende dalla fedeltà dei modelli virtuali nel riprodurre accuratamente il comportamento del sistema fisico.
Domande frequenti sul biopharma
Chapters in this video
0:05
Introduction
0:44
Molding the Specimen
2:48
Specimen Characterization, Loading, and Nanoindenter Installation
3:40
In‐Situ Scanning Electron Microscopy (SEM) Experiment
4:56
Results: Efficiency of the Web-Based Virtual Simulation Experiment
6:22
Conclusion
