Luận án development and optimization of compliant positioning stages applied for nanoindentation testing device

Chuyên khảo phân tích Luận án development and optimization of compliant positioning stages applied for nanoindentation, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu

• Tác giả: Đặng Minh Phụng
• Người hướng dẫn: Assoc. Lê Hiếu Giang
• Trường học: Hcm City University Of Technology And Education
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation
• Loại tài liệu: Ph. Thesis
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hcm City

Tóm tắt

I. Tổng quan về tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ trong nanoindentation

Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong kỹ thuật cơ khí. Giai đoạn này đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của thiết bị. Việc phát triển các phương pháp tối ưu hóa hiệu quả không chỉ giúp nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Nghiên cứu này sẽ trình bày các khía cạnh chính của tối ưu hóa giai đoạn định vị, từ lý thuyết đến ứng dụng thực tiễn.

1.1. Định nghĩa và vai trò của giai đoạn định vị trong nanoindentation

Giai đoạn định vị trong nanoindentation là bộ phận chịu trách nhiệm xác định vị trí chính xác của mẫu vật trong quá trình thử nghiệm. Độ chính xác của giai đoạn này ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả đo lường và phân tích. Việc tối ưu hóa giai đoạn này giúp cải thiện độ chính xác và độ tin cậy của thiết bị.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ nanoindentation

Công nghệ nanoindentation đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1980. Ban đầu, thiết bị chỉ có khả năng đo độ cứng của vật liệu. Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ, hiện nay thiết bị có thể đo nhiều thông số khác nhau như độ dẻo, độ bền và cấu trúc vi mô của vật liệu.

II. Thách thức trong tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị nanoindentation

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ nanoindentation, nhưng vẫn tồn tại nhiều thách thức trong việc tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ. Các vấn đề như độ chính xác, độ ổn định và khả năng chịu tải của giai đoạn định vị cần được giải quyết. Những thách thức này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất của thiết bị mà còn đến khả năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau.

2.1. Vấn đề về độ chính xác trong định vị

Độ chính xác của giai đoạn định vị là yếu tố quan trọng nhất trong nanoindentation. Các sai số trong quá trình định vị có thể dẫn đến kết quả không chính xác, ảnh hưởng đến việc phân tích và đánh giá vật liệu. Việc tối ưu hóa thiết kế và quy trình là cần thiết để giảm thiểu sai số này.

2.2. Khả năng chịu tải và độ ổn định của giai đoạn định vị

Khả năng chịu tải của giai đoạn định vị ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của thiết bị trong các điều kiện khác nhau. Độ ổn định cũng là một yếu tố quan trọng, vì nó đảm bảo rằng thiết bị có thể hoạt động liên tục mà không gặp phải sự cố. Cần có các giải pháp tối ưu hóa để cải thiện những vấn đề này.

III. Phương pháp tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị nanoindentation

Để giải quyết các thách thức trong tối ưu hóa giai đoạn định vị, nhiều phương pháp đã được phát triển. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa, mô hình hóa và phân tích động học. Việc áp dụng các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy cũng đang được nghiên cứu để nâng cao hiệu quả tối ưu hóa.

3.1. Sử dụng thuật toán tối ưu hóa trong thiết kế

Thuật toán tối ưu hóa như phương pháp Taguchi và RSM đã được áp dụng để tối ưu hóa các thông số thiết kế của giai đoạn định vị. Những phương pháp này giúp tìm ra các giá trị tối ưu cho các biến số, từ đó cải thiện hiệu suất của thiết bị.

3.2. Mô hình hóa và phân tích động học

Mô hình hóa động học giúp hiểu rõ hơn về hành vi của giai đoạn định vị trong quá trình hoạt động. Phân tích động học cho phép đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác và hiệu suất, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả.

IV. Ứng dụng thực tiễn của tối ưu hóa giai đoạn định vị trong nanoindentation

Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ không chỉ có ý nghĩa trong nghiên cứu mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các thiết bị nanoindentation được tối ưu hóa có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như vật liệu học, y học và công nghệ nano. Việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của thiết bị sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và phát triển.

4.1. Ứng dụng trong nghiên cứu vật liệu

Trong nghiên cứu vật liệu, thiết bị nanoindentation được sử dụng để đo độ cứng và các tính chất cơ học khác của vật liệu. Việc tối ưu hóa giai đoạn định vị giúp nâng cao độ chính xác của các phép đo, từ đó cung cấp thông tin quan trọng cho việc phát triển vật liệu mới.

4.2. Ứng dụng trong y học

Trong lĩnh vực y học, nanoindentation có thể được sử dụng để nghiên cứu các vật liệu sinh học và mô. Việc tối ưu hóa thiết bị giúp cải thiện khả năng phân tích và đánh giá các mẫu vật liệu sinh học, từ đó hỗ trợ trong việc phát triển các phương pháp điều trị mới.

V. Kết luận và triển vọng tương lai của tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ

Tối ưu hóa giai đoạn định vị tuân thủ cho thiết bị thử nghiệm nanoindentation là một lĩnh vực nghiên cứu đầy tiềm năng. Những tiến bộ trong công nghệ và phương pháp tối ưu hóa sẽ tiếp tục mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng. Việc phát triển các giải pháp tối ưu hóa hiệu quả sẽ giúp nâng cao chất lượng và hiệu suất của thiết bị, từ đó đóng góp vào sự phát triển của ngành công nghiệp và nghiên cứu khoa học.

5.1. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Nghiên cứu trong lĩnh vực tối ưu hóa giai đoạn định vị sẽ tiếp tục được mở rộng với sự phát triển của công nghệ mới. Các phương pháp tối ưu hóa hiện đại như trí tuệ nhân tạo và học máy sẽ được áp dụng để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của thiết bị.

5.2. Tác động đến ngành công nghiệp

Việc tối ưu hóa thiết bị nanoindentation sẽ có tác động lớn đến nhiều ngành công nghiệp, từ sản xuất vật liệu đến y học. Sự cải thiện trong độ chính xác và hiệu suất sẽ giúp các doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ---oo0oo--- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE PH. THESIS MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 HCM City, December 2022 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HCM CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION --- oOo --- DANG MINH PHUNG DEVELOPMENT AND OPTIMIZATION OF COMPLIANT POSITIONING STAGES APPLIED FOR NANOINDENTATION TESTING DEVICE MAJOR: MECHANICAL ENGINEERING CODE: 9520103 Supervisor 1: Assoc. Le Hieu Giang Supervisor 2: Dr. Dao Thanh Phong Reviewer 1: Reviewer 2: Reviewer 3: HCM City, December 2022 i LÝ LỊCH KHOA HỌC I.

LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ và tên: ĐẶNG MINH PHỤNG Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: 29/06/1983 Nơi sinh: Bình Dương Quên quán: Bình Dương Dân tộc: Kinh Học vị cao nhất: Thạc Sỹ Kỹ thuật Đơn vị công tác: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: D302, chung cư C2, Đường D1, P. Hiệp Phú, Tp. Thủ Đức, Tp. Điện thoại liên hệ: 0906814944 Email: phungdm@hcmute.

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO 1. Đại học: - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM - Ngành học: Cơ khí chế tạo máy - Năm tốt nghiệp: 2007 2. Sau đại học - Hệ đào tạo: Chính qui - Nơi đào tạo: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

HCM - Thạc sĩ chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí - Năm tốt nghiệp: 2009 III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC - Từ 6/2007 đến 8/2007: Kỹ sư thiết kế - Công ty TNHH TM & XD Nội Lực. - 10/2007 đến 9/2009: Giảng viên, Khoa Cơ khí, Trường Cao đẳng Công Thương Tp. - 10/2009 - nay: Giảng viên, Bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.

LĨNH VỰC CHUYÊN MÔN ii - Công nghệ chế tạo máy, đo lường cơ khí. - Thiết kế, chế tạo máy nông nghiệp và máy CNC. - Bộ định vị chính xác. - Tối ưu hóa thiết kế và gia công cơ khí.

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Số NỘI DUNG TT 1 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Nguyen Thanh Duy Tran, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimal design and analysis for a new 1-DOF compliant stage based on additive manufacturing method for testing medical specimens, Symmetry, Volume 14, Issue 6, 06/2022. (SCIE – Q2) 2 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Minh Nhut Van, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Modeling and optimization for a new compliant 02-DOF stage for locating bio-materials sample by an efficient approach of kinetostatic analysis- based method and neural network algorithm, Computational Intelligence and Neuroscience, Volume 2022, Article ID 6709464. (SCIE – Q1) 3 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, Optimization for a flexure hinge using an effective hybrid approach of fuzzy logic and moth-flame optimization algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 6622655, 18 pages, Feb-2021. (SCIE – Q2) 4 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc N.

Trung Le, Ngoc Le Chau, Thanh- Phong Dao, Multiresponse Optimization for a Novel Compliant Z-Stage by a Hybridization of Response Surface Method and Whale Optimization Algorithm, Mathematical Problems in Engineering, Volume 2021, Article ID 9974230, 18 pages, ISSN 1024-123X, April 2021. (SCIE – Q2) 5 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Ngoc Le Chau, Thanh-Phong Dao, A Multi- Objective Optimization Design for a New Linear Compliant Mechanism, Journal of Optimization and Engineering, 10. (SCIE – Q2) 6 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Effective Hybrid Algorithm of Taguchi Method, FEM, RSM, and Teaching Learning-Based Optimization for Multiobjective Optimization Design of a Compliant Rotary Positioning Stage for Nanoindentation Tester, Mathematical Problems in Engineering, 1563-5147, 2018. iii Số NỘI DUNG TT 7 Ngoc Le Chau, Hieu Giang Le, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, and Van Anh Dang, Efficient Hybrid Method of FEA-Based RSM and PSO Algorithm for Multi-Objective Optimization Design for a Compliant Rotary Joint for Upper Limb Assistive Device, Mathematical Problems in Engineering, 2587373, 2019.

8 Ngoc Le Chau, Minh Phung Dang, Chander Prakash, Dharam Buddhi, Thanh- Phong Dao, Structural optimization of a rotary joint by hybrid method of FEM, neural-fuzzy and water cycle-moth flame algorithm for robotics and automation manufacturing, Robotics and Autonomous Systems (2022): 104199. 9 Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Thu Thi Dang Phan, Ngoc Le Chau, and Thanh-Phong Dao, Design and Optimization for a New XYZ Micropositioner with Embedded Displacement Sensor for Biomaterial Sample Probing Application. 10 Duc Nam Nguyen, Minh Phung Dang, Shyh-Chour Huang, Thanh-Phong Dao, Computational optimization of a steel A-36 monolithic mechanism by bonobo algorithm and intelligent model for precision machining application, International Journal on Interactive Design and Manufacturing (IJIDeM) (2022): 1-11. (Scopus, ESCI – Q2) 13 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Ngoc Thoai Tran, Development and analysis for a New Compliant XY Micropositioning Stage applied for Nanoindentation Tester System, Applied Mechanics and Materials, 1662-7482, Vol.

14 Minh Phung Dang, Thanh-Phong Dao, Hieu Giang Le, Optimal Design of a New Compliant XY Micropositioning Stage for Nanoindentation Tester Using Efficient Approach of Taguchi Method, Response Surface Method and NSGA-II, iv Số NỘI DUNG TT 4th International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GTSD), IEEE, 2018. 15 Nhat Linh Ho, Thanh-Phong Dao, Minh Phung Dang, Hieu Giang Le, Tan Thang Nguyen, Manh Tuan Bui, Design and Analysis of a Displacement Sensor- Integrated Compliant Micro-gripper Based on Parallel Structure, The first International Conference on Material, Machines and Methods for Sustainable Development, Da Nang, Vietnam, 978-604-95-0502-7. 16 Minh Phung Dang, Nhat Linh Ho, Ngoc Le Chau, Thanh Phong Dao, Hieu Giang Le, A hybrid mechanism based on beetle-liked structure and multi-lever amplification for a compliant micropositioning platform, The Xth National Mechanics Conference, Ha Noi, Vietnam, 978-604-913-719-8, 2017. HCM, ngày 27 tháng 12 năm 2022 Nghiên cứu sinh Đặng Minh Phụng v ORIGINALITY STATEMENT I, Dang Minh Phung, confirm that this dissertation is my own work, done under the guidance of Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong to my great knowledge. The data and achieved results stated in the dissertation are honest and have not been published elsewhere. Ho Chi Minh City, December 2022 Dang Minh Phung vi ACKNOWLEDGMENTS To begin, I would like to express my heartfelt gratitude to my two main supervisors, Assoc.

Le Hieu Giang and Dr. Dao Thanh Phong, from the Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University of Technology and Education, and the Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, respectively. From the very first day of my Ph. study, my supervisors always show their kindness and enthusiasm to help me in my life and support me in writing international papers in English as well as doing research.

Moreover, my advisors have given me helpful advice in my life in order to balance my research and teaching, as well as provide me with professional knowledge to conduct my research in the compliant mechanism field. Secondly, I would like to thank my colleagues in the compliant research group at Institute for Computational Science, Ton Duc Thang University, as well as my colleagues and great students at the Ho Chi Minh City University of Technology and Education's Faculty of Mechanical Engineering, for their help in developing my research. Thirdly, I would like to thank the Ho Chi Minh City University of Technology professors who gave me great advice in correcting my thesis and showing appropriate developing directions in my research field. Fourthly, I would like to thank the Vietnam National Foundation for Science and Technology Development (NAFOSTED, No.01-2019-14) and HCMC University of Technology and Education in Vietnam for financial support under Grant No.

Finally, I would like to express my gratitude to my family for their encouragement, support, and patience: my parents, my wife, my younger brother, two younger sisters, my daughters, and my son. Dang Minh Phung vii ABSTRACT This thesis presents the development and optimization for flexure hinge, 01-DOF positioning stages, XY positioning stages, and a rotary stage for a nanoindentation testing device. Firstly, a new hybrid multi-response optimization approach was developed by combination of the Taguchi method (TM) with response surface methodology (RSM), fuzzy logic reasoning, and Moth-Flame optimizer is developed to select and optimize a new flexure joint. The elliptical hinge is chosen to integrate into the positioners in the nanoindentation device.

The attained results were of 10.94*10-5 mm for the rotation axis shift, 2.99 for the safety factor and 52.006*10-3 rad for the angle deflection. The elliptic hinge is then integrated into the indenter for driving and specimen locating positioners. Secondly, three design alternatives of new 01-DOF positioning stage are developed. A four-lever displacement intensification structure and beetle-liked configuration are proposed for the first stage.

A two-lever displacement amplifier, flexure shift mechanism, and parallel guiding mechanism are designed for the second stage. A six-lever amplifier and parallel guiding mechanism are devoted for the third stage. The advanced adaptive neuro-fuzzy inference system was coupled with teaching learning-based optimization algorithm to improve the quality characteristics of the first 01-DOF stage. Another methodology combining the TM, RSM, weight factor computation technique, and Whale optimization algorithm was also offered for optimizing the second 01-DOF stage.

Furthermore, the pseudo-rigid-body model and Lagrange method were used for modeling the third 01-DOF stage. The Firefly algorithm was then used to advance the important response of the third positioner. For the 1st stage, the safety factor was 1.5141 and the displacement was 2. For the 2nd stage, the output Z-displacement was 436.04 µm and the safety factor was 2.

For the 3rd stage, the result achieved 176.957 Hz for the first natural frequency. viii Finally, three new design alternatives for locating specimens were developed, including two XY positioning stages and a rotary positioning stage. In particular, the first XY stage included a four-lever displacement amplifier and guiding parallel guiding based on a zigzag-based flexure spring. Following that, an eight-lever displacement intensification structure with elliptic hinges and parallel guiding via a zigzag-based flexure spring was integrated into the second XY stage.

Eventually, the rotary stage included a four-lever displacement amplifier, the profile's beetle leg, cartwheel hinge, and a rotation platform based on three leaf flexure hinges. Furthermore, an offered optimization approach combining the TM, RSM, and nondominated sorting genetic algorithm II was proposed for optimizing the key variables of the first compliant X-positioner for improving the quality responses of the stages mentioned above. Then, a neural network algorithm was used to optimize the main parameters of the second XY-positioner for improving the output characteristics of the second X-positioner. Moreover, to optimize the rotary stage's main factors, an offered integration optimization approach of the TM, RSM, weight factor computation technique according to signal to noise, and TLBO algorithm was developed.

For the 1st 2-DOF stage, the displacement was 3.862 mm and the first natural was 45. For the 2nd 2-DOF stage, the frequency of stage was 112. For the rotary stage, the safety factor was 1.558 and the displacement was about 2. Additionally, Wilcoxon's rank signed analysis as well as Friedman analysis were exploited to benchmark the effectiveness of the offered hybrid method to other optimizers.

ANOVA was also used to figure out the significant contributions of the main input factors to output characteristics. The physical prototypes are manufactured and experimentally verified the predicted results. ix CONTENTS ORIGINALITY STATEMENT. viii List of Abbreviations.

xvi List of Figures. xxii List of Tables. xxviii CHAPTER 1 INTRODUCTION. Background and motivation.

Proposed nanoindentation device. Purposes and objects of the thesis. Objectives of the thesis. Scientific and practical significance of the thesis.

Outline of thesis. 11 CHAPTER 2 LITERATURE REVIEW AND BASIS THEORY. Compliant mechanism and applications. Previous compliant positioning stages.

Serial diagram design. Parallel diagram structure. Serial-parallel diagram design. Displacement amplification mechanisms .