3D打印智能零部件，康涅狄格大學是如何實現(xiàn)的？

傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器讓物體有了觸覺、味覺和嗅覺等感官，讓物體或機械零部件變得“活了”起來。不難理解，傳感器在感知機械部件損壞、故障方面起到重要作用。聯(lián)合技術研究中心（ United Technologies Research Center，UTRC ）和美國康涅狄格大學（UConn）的研究人員正在利用3D打印技術制造嵌入式微傳感器，傳感器是與機械零部件集成在一起的，使機械零部件成為具有感知損壞情況的智能零部件。那么，他們是如何實現(xiàn)這一應用的呢？

通過直寫3D打印技術可以制造嵌入零部件中的損壞檢測傳感器，圖片來源：康涅狄格大學。

比頭發(fā)絲還細的微傳感器
據(jù)了解了解到，這一應用的核心技術是墨水直寫（Direct Write）3D打印技術，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。

科學家們使用直寫3D打印技術打印出超細的導電細絲，細絲在制造3D打印機械零部件時嵌入零部件中。導電細絲可以充當磨損傳感器，檢測機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械用戶。這一應用有助于避免損失、節(jié)省成本。

傳感器的工作方式是：
每條平行的銀導線都與一個微型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形成電路。隨著導線從表面越來越深地嵌入到元件中，每個新線和電阻器被分配越來越高的電壓值。運動部件摩擦磨損等任何損壞，都將切斷一條或多條導線，電路在此階段被斷開，被破壞的線越多，說明部件受到的損壞越大。實時電壓讀數(shù)使工程師無需拆開整個機器就能夠評估組件的潛在損壞，無需拆開整個機器。

3D打印的磁性零部件，圖片來源：康涅狄格大學。

下面這個實際應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。比如說通過該3D打印技術在噴氣式發(fā)動機渦輪葉片的陶瓷涂層中制造嵌入式傳感器，當葉片受到巨大的物理力和熱量而產(chǎn)生微觀裂縫時將對葉片性能造成災難性后果，但是這些微觀裂縫是肉眼看不見的，而嵌入式傳感器則能夠及時檢測到這些裂縫，并及時向機械師發(fā)出損壞警報。

研究團隊利用墨水直寫3D打印技術，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，也就是說傳感器線比一般人的頭發(fā)更細。如此細的尺寸意味著該技術制造的傳感器可以檢測非常微小的損壞。

開發(fā)這樣一種精確的傳感器并不容易，其中關鍵的技術是控制好金屬油墨的流動性。康涅狄格大學化學與生物分子工程副教授Anson Ma和復雜流體實驗室的博士生測量并優(yōu)化了注入銀墨水的流動特性，以便能夠可靠地沉積微米級金屬導線，并且不會堵塞噴嘴或在在墨水沉積后發(fā)生擴散的情況。

任意形狀的磁性元件
除了以上應用，研究團隊還能夠利用直寫3D打印技術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各種形狀，并且不需要在需要磁性部件的機器中使用單獨的殼體。也就是說，磁鐵能夠以不同的形狀被無縫安裝在其他功能部件之間。通過改變磁鐵的形狀，可以進一步操縱和優(yōu)化所產(chǎn)生的合成磁場。

目前，用于制造定制3D打印磁體的方法依賴于高溫固化，但是這一方法會降低材料的磁性�？的�狄格大學和UTRC的研究團隊使用低溫紫外線來固化磁鐵，這一技術類似于牙醫(yī)使用紫外線來硬化填充物�？的�狄格大學表示，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)電機中產(chǎn)生電流的元器件到跟蹤運動部件位置或速度的高級傳感器，磁鐵具有廣泛的工業(yè)應用。將磁性材料直接嵌入元件中的3D打印技術，可以使新產(chǎn)品設計更符合空氣動力學，更加輕便與高效。


直寫3D打印技術在平面和三維維度上快速制造微結構零件或電子元件領域具有廣闊的應用空間。具體可商業(yè)化的應用包括印刷電子、太陽能電池、微流體芯片、新型復合材料、組織工程等。

根據(jù)市場研究，哈佛大學Lewis教授也研發(fā)了一種直寫3D打印技術，這是一種高通量多噴嘴的3D打印技術，Lewis教授的直接書寫技術描述中重點是多噴嘴Multinozzle沉積系統(tǒng)，這個系統(tǒng)包括兩個獨立的微通道網(wǎng)絡，第一微通道網(wǎng)絡和第二微通道網(wǎng)絡。第一種油墨主要是高分子塑料，包括硅膠以及環(huán)氧樹脂組成的油墨。

在UTRC 和康涅狄格大學的研究中提到，直寫3D打印技術的其中一個應用是制造嵌入式的葉片傳感器。根據(jù)3D科學谷的市場觀察，GE 公司也在通過另一種增材制造技術-氣溶膠噴射技術開發(fā)渦輪發(fā)動機葉片傳感器的應用。

在2017年1月17日GE獲得批準的專利中，公開了用于制造渦輪機部件上應變傳感器的方法。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。專利還公開了一種監(jiān)測渦輪部件的方法，該方法包括形成至少兩個參考點的應變傳感器。應變傳感器的陶瓷粉體通過自動化的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。

來源：3D科學谷