新型增材製造技術：打造「智能」機器組件！

知識 08-04

近日，美國聯合技術研究中心與康涅狄格大學的科學家們採用先進的增材製造技術製造出「智能」機器組件，該組件在遭到損壞或磨損時可以提醒用戶。研究人員還通過對這項技術稍加修改，創造出具有各種複雜幾何形狀的聚合物鍵合的磁體。

背景

增材製造（Additive Manufacturing），俗稱3D列印，是採用材料逐漸累加的方法製造實體零件的技術。不同於傳統的材料去除－切削加工技術，增材製造是一種「自下而上」通過材料累加的製造方法。

增材製造技術融合了計算機輔助設計、材料加工與成形技術、以數字模型文件為基礎，通過軟體與數控系統將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫用生物材料，按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積，製造出實體物品。

美國明尼蘇達大學的研究人員採用特殊的3D印表機將電子器件列印人手上

（圖片來源：McAlpine 研究小組 / 明尼蘇達大學）

美國楊百翰大學的研究人員開發出3D列印的微流控裝置

（圖片來源：楊百翰大學）

英國諾丁漢大學的研究人員3D列印全功能電子電路

（圖片來源：英國諾丁漢大學）

創新

近日，美國聯合技術研究中心（UTRC）與康涅狄格大學（UConn）的科學家們採用先進的增材製造技術製造出「智能」機器組件，該組件在遭到損壞或磨損時可以提醒用戶。

研究人員還通過對這項技術稍加修改，創造出了具有各種複雜幾何形狀的聚合物鍵合（polymer-bonded）的磁體，為產品的設計與製造開闢了新的可能性。

（圖片來源：Peter Morenus/UConn）

這兩項創新的關鍵是採用了3D列印技術的高級形式，也稱為「直接寫入技術」（direct write technology）。傳統的增材製造技術，採用激光將精細的金屬粉末層熔化為液體。不同於傳統的增材製造技術，直接寫入技術採用從噴嘴裡擠出的半固態金屬「油墨」。金屬油墨的粘度看上去有點像從管子裡面擠出的牙膏。

康涅狄格大學與聯合技術研究中心（UConn-UTRC）的科學家們利用這種工藝製造出由導電銀絲組成的細線。在製造的時候，導電銀絲可以嵌入到3D列印的機器組件中。這種導電線可充當磨損感測器，檢測部件的損傷。

（圖片來源：Peter Morenus/UConn）

關於製造磨損感測器更多信息可以在《增材製造（Additive Manufacturing）》期刊上的論文中找到。關於通過直接寫入法製造聚合物鍵合的磁體的細節信息可以在《磁學與磁性材料雜誌（Journal of Magnetism and Magnetic Materials）》上的論文中找到。

UTRC 的兩位工程師 Dustin Caldwell 和 Callum Bailey 也為這項研究作出了貢獻。UTRC 的 Dardona 已經為這項嵌入式的磨損感測器技術申請了專利。

技術

它們的工作方式是這樣的：銀絲的平行線，每條都與一個3D列印的微型電阻關聯，嵌入到一個組件中。施加電壓時，這些互連線形成電路。隨著這些線越來越深地從表面嵌入到元件內部，每條新線和電阻都被賦予越來越高的電壓值。元件的任何損傷，例如運動部件相互摩擦引起的磨損，將會切斷一條或多條線，從而一段時間內斷開電路。斷開的線越多，損傷就越大。工程師們利用實時的電壓讀數，就可以評估元件的損傷，而無需拆開整個機器。

為了更好地使用這些微型感測器，我們可以想像它們被嵌入到噴氣發動機渦輪風扇葉片的陶瓷塗層中。這些葉片會遭受到巨大的物理作用力與熱量。保護塗層中的微小裂縫，有可能會對葉片的性能產生災難性的破壞，而肉眼卻無法觀察到。通過嵌入感測器，技術員可以迅速地了解到任何的葉片損傷，以便及時處理。

UConn-UTRC 的團隊能將寬度僅為15微米、相距50微米的感測器線嵌入到機器組件中。這些線比人類頭髮絲（約100微米）細得多，從而可以檢測到非常微小的損傷。

開發如此精準的感測器並不容易。UConn 化學與生物分子工程副教授 Anson Ma 及Ma 的複雜流體實驗室的博士生 Alan Shen 測量並優化了注入銀的油墨的流動特性，以便可靠地沉積微米級的線，而且不會堵塞噴嘴，或者在沉積之後引起大量的擴散。

科學家們也採用直接寫入技術，創造出具有磁性塗層或者在其中嵌入了磁性材料的新型組件。這些聚合物鍵合的磁體能製成任何形狀，並且無需在需要磁性部件的機器中使用單獨的外殼。

Ma 說：「這開闢了許多令人興奮的的機會，想像一下，磁體可以具有不同形狀，並能無縫地安裝在其他功能組件之間。同時，通過改變磁體的形狀，可以進一步操控和優化產生的磁場。」

UConn 和 UTRC 開發的磁體製造方法，也通過其他途徑，顯著地改善了現有的製造技術。目前，製造定製3D列印的磁體的方法依賴於高溫加工，然而不幸地的是，這種方法會減弱材料的磁性。UConn 和 UTRC 的科學家們找到了解決這一問題的辦法，他們採用低溫紫外線加工磁體，類似牙科醫生採用紫外線來硬化填充物。這種方法產生的磁體比其他增材製造方案製造出的磁體，性能要好得多。

價值

UTRC 研究與創新部門（聯合技術公司的創新引擎）副總監 Sameh Dardona 表示：「這改變我們看待製造業的方式。現在，我們可以將這些功能集成到組件中，使得組件更加智能。這些感測器可以檢測任何類型的磨損，甚至腐蝕，將信息報告給終端用戶。這將幫助我們改善性能，避免失敗，節約成本。」