Wissenschaftler des United Technologies Research Center (UTRC) und der University of Connecticut haben entwickelte „intelligente“ Sensoren Entwickelt, um in Maschinenteile eingebettet zu werden und Benutzer auf winzige Beschädigungen oder Verschleiß aufmerksam zu machen.

Die Sensoren werden mit einer fortschrittlichen 3D-Druckmethode namens Direct Write-Technologie erstellt.

Typischerweise beinhaltet der 3D-Druck - auch als additive Fertigung bekannt - die Verwendung von Lasern, um Schichten eines feinen Metallpulvers zu einem festen Objekt zu verschmelzen. Bei der Direktschreibtechnologie kommt ein pastöses Material wie Tinte aus einem Stift aus einer Düse und kann auf verschiedene Substratmaterialien aufgebracht werden.

"Mit der Direct Write-Technologie können feine Spuren von leitenden, halbleitenden, isolierenden, resistiven oder magnetischen Materialien auf 3D-Oberflächen abgeschieden werden", sagte er Sameh Dardona, stellvertretender Direktor für Forschung und Innovation am UTRC und leitender Forscher des Projekts.

„Die Technologie wird sich darauf auswirken, wie wir Sensoren herstellen und in Produkte integrieren, da wir die Sensormaterialien direkt auf Oberflächen ablegen können, ohne dass Gehäuse, Substrate oder Halterungen erforderlich sind.“

Sowohl die Direktschreibmethode als auch die Smart-Sensor-Komponenten wurden im Direktschreiblabor des UTRC entwickelt.

Das Verfahren

Mit der Direktschreibtechnologie können die Forscher winzige Linien aus leitendem Silberfilament - nur 15 Mikrometer breit und 50 Mikrometer voneinander entfernt, dünner als das durchschnittliche menschliche Haar - in eine Maschine integrieren, während sie gebaut wird.

Wie eine Schnur, die in ein Kleidungsstück gefädelt ist, sind die winzigen Sensoren in der Maschine verflochten. Sie können sehr kleine Schäden in Bereichen erkennen, die normalerweise nicht von Sensoren erreicht werden können, und so die Benutzer vor Schäden warnen, bevor sie ernsthafte Probleme verursachen können.

"Das Schöne an dieser Methode ist, dass die Muster direkt auf vorhandenen Maschinenkomponenten abgelegt werden, was eine nahtlose Integration der Sensorfunktionalität in vorhandene Maschinen ermöglicht", sagte er Anson Ma, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen und Biomolekulartechnologie an der UConn, der an dem Projekt mitgearbeitet hat.

Die Linien des Silberfilaments sind in parallelen Linien angeordnet, die jeweils mit einem winzigen 3D-gedruckten Widerstand gekoppelt sind. Das Silberfilament ist in der Lage, Elektrizität zu leiten. Wenn also eine Spannung angelegt wird, bilden die miteinander verbundenen parallelen Leitungen einen elektrischen Stromkreis.

"Wenn Verschleiß auftritt, werden Teile dieser Teile beschädigt, was zu einer Änderung des elektrischen Signals führt", sagte Ma. „Diese Strategie eröffnet die Möglichkeit, Verschleiß zu erkennen, ohne die Maschine während des normalen Betriebs auseinanderzunehmen, und erhöht die Sicherheit und minimiert die Ausfallzeiten der Maschine.“

Wenn die Komponente beschädigt ist, ist der Stromkreis unterbrochen. Schäden können daher aus der Ferne und in Echtzeit durch Ablesen der Spannungspegel erkannt werden.

Anwendungen

Die Mikrosensoren könnten beispielsweise in Keramik- und Polymerbeschichtungen von Turbinenschaufeln von Strahltriebwerken eingebettet sein, die durchgehend einem immensen Druck und Wärme ausgesetzt sind.

Mikroskopische Schäden - wie ein Riss in der Schutzbeschichtung - können die Funktion des Bauteils erheblich beeinträchtigen, für das bloße Auge jedoch buchstäblich unsichtbar sein. Eingebettete Sensoren würden es den Mechanikern jedoch ermöglichen, selbst die kleinsten auftretenden Schäden zu verfolgen und zu beheben, bevor sie größere Schäden verursachen können.

Die Sensoren können in jede Technologie eingebettet werden, die bewegliche Teile umfasst und Verschleiß unterliegt.

"Dies ändert die Art und Weise, wie wir die Fertigung betrachten", sagte Dardona in einer Erklärung. "Wir können jetzt Funktionen in Komponenten integrieren, um sie intelligenter zu machen."

„Diese Sensoren können jede Art von Abnutzung, auch Korrosion, erkennen und diese Informationen an den Endbenutzer weiterleiten. Dies hilft uns, die Leistung zu verbessern, Ausfälle zu vermeiden und Kosten zu sparen. “

Dardona stellt sich vor, dass diese Sensoren in Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Industriemaschinen eingesetzt werden - Branchen, in denen der Zustand von Maschinenkomponenten in Echtzeit genau überwacht werden muss.

Die Direktschreibtechnologie kann auch verwendet werden, um mehr als nur Sensoren zu erstellen. Das Team verwendete das gleiche Verfahren, um einzigartige Maschinenkomponenten zu erstellen, in die magnetische Beschichtungen oder magnetisches Material eingebettet sind.

Sie entwickelten eine polymergebundene magnetische Tinte, die in willkürlichen und ungewöhnlichen Formen geformt werden kann und die Erzeugung ungewöhnlicher magnetischer Komponenten ermöglicht.

"Für die Magnetherstellung haben wir eine funktionelle Tinte formuliert, die Magnetpartikel und Photopolymer enthält, die sich bei Einwirkung von UV-Licht verfestigt", sagte Ma.

„Wir legen zuerst einige Tinten nach einem gewünschten Muster mit der Direktschreibmethode auf und tragen dann UV auf, um diese Schicht (teilweise) zu verfestigen. Wir wiederholen den Vorgang, um ein 3D-Objekt mit beliebigen Formen zu erstellen, wie sie in der digitalen Datei entworfen wurden.

„Der Schlüssel besteht darin, die Fließeigenschaften der Tinte so zu steuern, dass die abgelagerte Tinte die Form beibehält, bis eine UV-induzierte Verfestigung stattfindet.“

Ma glaubt, dass diese Magnettechnologie ein breites Spektrum industrieller Anwendungen bietet.

"Magnete können verwendet werden, um einen elektrischen Strom in einem Generator oder einer Lichtmaschine zu erzeugen, die Leistung elektromagnetischer Geräte wie Induktoren zu verbessern und die Geschwindigkeit oder die Position eines sich bewegenden Kolbens oder einer sich drehenden Welle zu verfolgen", sagte er.

Sobald diese Technologie in den Händen von Designern und Ingenieuren liegt, ist nicht abzusehen, wie viele Anwendungen sie haben könnten.

In einer Stellungnahme stellte Dardona fest, dass das direkte Einbetten von magnetischem Material in Komponenten zu visionären Produktdesigns führen könnte, die aerodynamischer, leichter und effizienter sind.

"Gedruckte Magnete werden Anwendungen in der Erfassung und Betätigung haben", sagte Dardona. „Mit dem Druckverfahren können Magnetdesigns hergestellt werden, die mit den vorhandenen Subtraktions- oder Bearbeitungstechniken nicht möglich sind.“

Dardona hat sich für einen beworben Patent für die Sensorik.

Zusammenarbeit ist der Schlüssel

Sowohl Dardona als auch Ma betonten, dass die Zusammenarbeit zwischen UTRC und UConn sehr produktiv gewesen sei und dass das Projekt ohne die einzigartigen Beiträge beider Parteien nicht hätte abgeschlossen werden können.

Das Projekt wurde von Dardonas Team am UTRC finanziert und verwaltet. Dardona sagte, dass die Beziehung zu UConn aufgrund der einzigartigen Expertise der Universität in der Tintenrheologie und -formulierung zustande gekommen sei.

"Dies war eine äußerst fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Universität (Wissenschaft) und Industrie", sagte Ma.

„Unsere universitäre Forschungsgruppe konzentriert sich auf das grundlegende Verständnis und die Formulierung von Funktionstinten mit geeigneten Eigenschaften für High-Fidelity-Druck. Unser Industriepartner (UTRC) leitet das Sensordesign und wendet diese Technologie an, um wichtige technische Herausforderungen in Bezug auf Verschleißsensor und Magnet anzugehen Anwendungen. ”

Solche Kooperationen bieten den Studenten auch die einmalige Gelegenheit, echte Forschungserfahrung zu sammeln.

Im Rahmen der Zusammenarbeit wurde Alan Shen, Doktorand an der UConn, in das Forschungsteam von Dardona eingebettet. In beiden Projekten war er als leitender Forscher an der Entwicklung, Erprobung und erneuten Erprobung dieser neuen Technologien in den letzten drei Jahren beteiligt.

"Es ist auch sehr lohnend für unsere Schüler", sagte Ma in einer Erklärung.

„Die an diesen Projekten beteiligten Studenten sind vollständig in das Forschungsteam integriert. Es ist nicht nur aus Sicht der Personalentwicklung großartig. Es gibt den Schülern auch die Möglichkeit, eng mit professionellen Ingenieuren in einer wunderschönen Einrichtung wie dem UTRC zusammenzuarbeiten. “