3D打印智能零部件，康涅狄格大學(xué)是如何實(shí)現(xiàn)的？

傳感器是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器讓物體有了觸覺(jué)、味覺(jué)和嗅覺(jué)等感官，讓物體或機(jī)械零部件變得“活了”起來(lái)。不難理解，傳感器在感知機(jī)械部件損壞、故障方面起到重要作用。

聯(lián)合技術(shù)研究中心（ United Technologies Research Center，UTRC ）和美國(guó)康涅狄格大學(xué)（UConn）的研究人員正在利用3D打印技術(shù)制造嵌入式微傳感器，傳感器是與機(jī)械零部件集成在一起的，使機(jī)械零部件成為具有感知損壞情況的智能零部件。那么，他們是如何實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的呢？

比頭發(fā)絲還細(xì)的微傳感器

3D科學(xué)谷了解到，這一應(yīng)用的核心技術(shù)是墨水直寫(xiě)（Direct Write）3D打印技術(shù)，打印材料是半固態(tài)的金屬墨水，墨水被打印噴頭擠出。金屬墨水的粘度與牙膏相仿。

科學(xué)家們使用直寫(xiě)3D打印技術(shù)打印出超細(xì)的導(dǎo)電細(xì)絲，細(xì)絲在制造3D打印機(jī)械零部件時(shí)嵌入零部件中。導(dǎo)電細(xì)絲可以充當(dāng)磨損傳感器，檢測(cè)機(jī)械零部件任何類型的磨損情況，甚至是腐蝕情況，并將這些信息反饋給機(jī)械用戶。這一應(yīng)用有助于避免損失、節(jié)省成本。

通過(guò)直寫(xiě)3D打印技術(shù)可以制造嵌入零部件中的損壞檢測(cè)傳感器，圖片來(lái)源：康涅狄格大學(xué)。

傳感器的工作方式是：

每條平行的銀導(dǎo)線都與一個(gè)微型3D打印電阻耦合，它們被嵌入到零部件中。互連線路在施加電壓時(shí)形成電路。隨著導(dǎo)線從表面越來(lái)越深地嵌入到元件中，每個(gè)新線和電阻器被分配越來(lái)越高的電壓值。運(yùn)動(dòng)部件摩擦磨損等任何損壞，都將切斷一條或多條導(dǎo)線，電路在此階段被斷開(kāi)，被破壞的線越多，說(shuō)明部件受到的損壞越大。實(shí)時(shí)電壓讀數(shù)使工程師無(wú)需拆開(kāi)整個(gè)機(jī)器就能夠評(píng)估組件的潛在損壞，無(wú)需拆開(kāi)整個(gè)機(jī)器。

下面這個(gè)實(shí)際應(yīng)用舉例可以幫助我們更好的理解3D打印傳感器發(fā)揮的作用。比如說(shuō)通過(guò)該3D打印技術(shù)在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的陶瓷涂層中制造嵌入式傳感器，當(dāng)葉片受到巨大的物理力和熱量而產(chǎn)生微觀裂縫時(shí)將對(duì)葉片性能造成災(zāi)難性后果，但是這些微觀裂縫是肉眼看不見(jiàn)的，而嵌入式傳感器則能夠及時(shí)檢測(cè)到這些裂縫，并及時(shí)向機(jī)械師發(fā)出損壞警報(bào)。

研究團(tuán)隊(duì)利用墨水直寫(xiě)3D打印技術(shù)，可以嵌入式的制造寬度僅為15微米，相距50微米的傳感器線，也就是說(shuō)傳感器線比一般人的頭發(fā)更細(xì)。如此細(xì)的尺寸意味著該技術(shù)制造的傳感器可以檢測(cè)非常微小的損壞。

開(kāi)發(fā)這樣一種精確的傳感器并不容易，其中關(guān)鍵的技術(shù)是控制好金屬油墨的流動(dòng)性?？的腋翊髮W(xué)化學(xué)與生物分子工程副教授Anson Ma和復(fù)雜流體實(shí)驗(yàn)室的博士生測(cè)量并優(yōu)化了注入銀墨水的流動(dòng)特性，以便能夠可靠地沉積微米級(jí)金屬導(dǎo)線，并且不會(huì)堵塞噴嘴或在在墨水沉積后發(fā)生擴(kuò)散的情況。

任意形狀的磁性元件

除了以上應(yīng)用，研究團(tuán)隊(duì)還能夠利用直寫(xiě)3D打印技術(shù)制造具有磁性涂層或嵌入磁性材料的新型元件。這些聚合物粘合的磁鐵能夠適應(yīng)各種形狀，并且不需要在需要磁性部件的機(jī)器中使用單獨(dú)的殼體。也就是說(shuō)，磁鐵能夠以不同的形狀被無(wú)縫安裝在其他功能部件之間。通過(guò)改變磁鐵的形狀，可以進(jìn)一步操縱和優(yōu)化所產(chǎn)生的合成磁場(chǎng)。

3D打印的磁性零部件，圖片來(lái)源：康涅狄格大學(xué)。

目前，用于制造定制3D打印磁體的方法依賴于高溫固化，但是這一方法會(huì)降低材料的磁性?？的腋翊髮W(xué)和UTRC的研究團(tuán)隊(duì)使用低溫紫外線來(lái)固化磁鐵，這一技術(shù)類似于牙醫(yī)使用紫外線來(lái)硬化填充物?？的腋翊髮W(xué)表示，由此產(chǎn)生的磁體表現(xiàn)出明顯優(yōu)于由其他增材制造方法產(chǎn)生的磁體的性能。

從交流發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生電流的元器件到跟蹤運(yùn)動(dòng)部件位置或速度的高級(jí)傳感器，磁鐵具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用。將磁性材料直接嵌入元件中的3D打印技術(shù)，可以使新產(chǎn)品設(shè)計(jì)更符合空氣動(dòng)力學(xué)，更加輕便與高效。

3D科學(xué)谷Review

直寫(xiě)3D打印技術(shù)在平面和三維維度上快速制造微結(jié)構(gòu)零件或電子元件領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。具體可商業(yè)化的應(yīng)用包括印刷電子、太陽(yáng)能電池、微流體芯片、新型復(fù)合材料、組織工程等。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究，哈佛大學(xué)Lewis教授也研發(fā)了一種直寫(xiě)3D打印技術(shù)，這是一種高通量多噴嘴的3D打印技術(shù)，Lewis教授的直接書(shū)寫(xiě)技術(shù)描述中重點(diǎn)是多噴嘴Multinozzle沉積系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)獨(dú)立的微通道網(wǎng)絡(luò)，第一微通道網(wǎng)絡(luò)和第二微通道網(wǎng)絡(luò)。第一種油墨主要是高分子塑料，包括硅膠以及環(huán)氧樹(shù)脂組成的油墨。

在UTRC 和康涅狄格大學(xué)的研究中提到，直寫(xiě)3D打印技術(shù)的其中一個(gè)應(yīng)用是制造嵌入式的葉片傳感器。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，GE 公司也在通過(guò)另一種增材制造技術(shù)-氣溶膠噴射技術(shù)開(kāi)發(fā)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片傳感器的應(yīng)用。

在2017年1月17日GE獲得批準(zhǔn)的專利中，公開(kāi)了用于制造渦輪機(jī)部件上應(yīng)變傳感器的方法。該方法包括渦輪部件的外部表面規(guī)劃，和如何將陶瓷材料沉積到外部表面指定的位置上。專利還公開(kāi)了一種監(jiān)測(cè)渦輪部件的方法，該方法包括形成至少兩個(gè)參考點(diǎn)的應(yīng)變傳感器。應(yīng)變傳感器的陶瓷粉體通過(guò)自動(dòng)化的3D打印增材制造工藝沉積到葉片表面上，陶瓷材料可以包括熱障涂層如氧化釔及穩(wěn)定的氧化鋯。而一些特殊的渦輪部件位置上則不需要熱障涂層。