Smarte maskinkomponenter advarer brugerne om skader og slid

Forskere ved United Technologies Research Center og UConn brugte avanceret additiv fremstillingsteknologi til at skabe 'smarte' maskinkomponenter, der advarer brugere, når de er beskadigede eller slidte.

Forskerne anvendte også en variation af teknologien til at skabe polymerbundne magneter med indviklede geometrier og vilkårlige former, åbner nye muligheder for fremstilling og produktdesign.

Nøglen til begge innovationer er brugen af ​​en avanceret form for 3-D-udskrivning kaldet direkte skrive-teknologi. I modsætning til konventionel additiv fremstilling, som bruger lasere til at smelte lag af fint metalpulver ind i en fast genstand, direkte skrive teknologi anvender halvfast metal 'blæk', der ekstruderes fra en dyse. Metalblækkets viskositet ligner tandpasta, der presses fra et rør.

Denne proces gjorde det muligt for UConn-UTRC-forskerne at oprette fine linjer af ledende sølvfilament, der kunne indlejres i 3D-trykte maskinkomponenter, mens de blev fremstillet. Linjerne, som er i stand til at lede elektrisk strøm, fungere som slidfølere, der kan registrere beskadigelse af delen.

Sådan fungerer de. Parallelle linjer af sølvtråd, hver kombineret med en lille 3D-printet modstand, er integreret i en komponent. De sammenkoblede linjer danner et elektrisk kredsløb, når der påføres spænding. Efterhånden som linjer er indlejret dybere og dybere i en komponent fra overfladen, hver ny linje og modstand tildeles en stadig højere spændingsværdi. Enhver skade på komponenten, såsom slid eller slid forårsaget af friktion fra bevægelige dele, ville skære i en eller flere af linjerne, bryde kredsløbet på det tidspunkt. Jo flere linjer der er brudt, jo større skade. Realtids spændingsaflæsninger giver ingeniører mulighed for at vurdere potentiel skade og slid på en komponent uden at skulle tage en hel maskine fra hinanden.

For at få en bedre idé om, hvordan disse mikrosensorer kan bruges, forestil dig, at de er indlejret i den keramiske belægning af en jetmotor turbinblæserblad. Disse knive udsættes for enorme fysiske kræfter og varme. En mikroskopisk revne i den beskyttende belægning kan potentielt være katastrofal for bladets ydeevne, alligevel usynlig for det blotte øje. Med de integrerede sensorer, mekanikere ville blive advaret om enhver knivskade straks, så det kan afhjælpes.

"Dette ændrer den måde, vi ser på fremstilling, "siger Sameh Dardona, Associate Director for Research and Innovation hos UTRC, som fungerer som innovationsmotor for United Technologies Corp. "Vi kan nu integrere funktioner i komponenter for at gøre dem mere intelligente. Disse sensorer kan registrere enhver form for slid, endda korrosion, og rapportere disse oplysninger til slutbrugeren. Dette hjælper os med at forbedre ydeevnen, undgå fejl, og spare omkostninger. "

UConn-UTRC-teamet var i stand til at integrere sensorlinjer, der kun var 15 mikron brede og 50 mikron fra hinanden. Det er meget tyndere end et gennemsnitligt menneskehår, hvilket er omkring 100 mikron. Dette tillader detektion af meget små skader.

Det er ikke let at udvikle en så præcis sensor. UConn lektor i kemi og biomolekylær teknik Anson Ma og en ph.d. studerende fra Ma's Complex Fluids Laboratory, Alan Shen, målte og optimerede flowegenskaberne for det sølv-infunderede blæk, så linjer i mikronstørrelse kunne deponeres pålideligt uden at tilstoppe dysen eller forårsage betydelig spredning efter aflejring.

UTRC's Dardona har ansøgt om patent på den integrerede slidssensorteknologi.

Forskerne brugte også direkte skrive -teknologi til at skabe nye komponenter, der har magnetiske belægninger eller magnetisk materiale indlejret i dem. Disse polymerbundne magneter er i stand til at tilpasse sig enhver form, og eliminere behovet for separate huse i maskiner, der kræver magnetiske dele.

"Dette åbner en masse spændende muligheder, "siger Ma." Forestil dig magneter, der kan antage forskellige former og passe problemfrit mellem andre funktionelle komponenter. Også, det resulterende magnetfelt, der skabes, kan manipuleres og optimeres yderligere ved at ændre formen på magneterne. "

Magnetfremstillingsmetoden udviklet af UConn og UTRC forbedrer betydeligt på eksisterende fremstillingspraksis også på andre måder. Nuværende metoder til oprettelse af brugerdefinerede 3D-trykte magneter er afhængige af hærdning ved høj temperatur, hvilket desværre reducerer et materiales magnetiske egenskaber som følge heraf. Forskerne ved UConn og UTRC fandt en vej udenom dette problem ved at bruge lavtemperatur UV-lys til at helbrede magneterne, ligner, hvordan en tandlæge bruger UV -lys til at hærde en fyldning. De resulterende magneter udviste betydeligt bedre ydeevne end magneter skabt ved andre additive fremstillingsmetoder.

Magneter har en bred vifte af industrielle applikationer, fra at skabe elektriske strømme i generatorer til at spore position eller hastighed på bevægelige dele som sensorer af høj kvalitet. Indlejring af magnetisk materiale direkte i komponenter kan føre til nye produktdesign, der er mere aerodynamiske, lettere, og effektiv, Siger Dardona.

"Dette er et godt eksempel på samarbejde mellem industriel forskning og akademisk forskning, "siger han." Vi har altid nye koncepter, som vi gerne vil undersøge. Dette samarbejde gav os mulighed for at udnytte viden, ekspertise, og faciliteter tilgængelige på UConn for at hjælpe os med at løse nogle af disse teknologiske udfordringer. "

Samarbejdet gavner også UConn. Shen, ph.d. studerende i Ma's lab, fungeret som ledende forsker på de to projekter, udvikler, test, og gentest den nye teknologi i løbet af de sidste tre år.

"Disse former for samarbejde giver os mulighed for at hjælpe virksomheder som UTC med at udvikle nye teknologier, som vi ved, at de vil tage til det næste niveau, "siger Ma." Det er også meget givende for vores studerende. Studerende involveret i disse projekter er fuldt integreret i forskerholdet. Det er ikke kun godt set ud fra et udviklingsperspektiv; det giver også eleverne en chance for at arbejde tæt sammen med professionelle ingeniører i et smukt anlæg som UTRC. "

Flere detaljerede oplysninger om fremstilling af slidssensorer findes i en artikel i Additiv fremstilling . Detaljer om den direkte skriveproduktion af polymerbundne magneter findes i en artikel i Journal of Magnetism and Magnetic Materials .