ユナイテッドテクノロジーズリサーチセンター（UTRC）とコネチカット大学の科学者たちは、 「スマート」センサーを開発 機械部品に組み込まれ、ユーザーにわずかな損傷や摩耗を警告するように設計されています。

センサーは、直接書き込み技術と呼ばれる高度な3D印刷方法を使用して作成されます。

通常、3D印刷 - 積層造形法としても知られている - は、レーザーを使用して微細な金属粉末の層を固体の物体に融合させることを含みます。 直接筆記技術では、ペンからのインクのように、ペースト状の材料がノズルから出て、様々な基板材料に塗布することができる。

「ダイレクトライト技術は、3D表面に導電性、半導体、絶縁、抵抗、または磁性材料の微細な痕跡を堆積させることができます」と述べた Sameh Dardona、UTRCの研究と技術革新の副ディレクター、プロジェクトのリード研究者。

「この技術は、ハウジング、基板、またはブラケットを必要とせずに、センシング材料を表面に直接堆積させることができるため、センサーの製造方法および製品への統合方法に影響を与えます。」

ダイレクトライト方式とスマートセンサの両方のコンポーネントは、UTRCのダイレクトライトラボで開発されました。

方法

直接描画技術を使用すると、研究者は、平均的な人間の髪の毛よりも細い、幅が15ミクロンから50ミクロンの細い導電性銀フィラメントの細い線を、作成中の機械に統合できます。

衣服に縫い込まれたひものように、小さなセンサーは機械全体に織り込まれています。 彼らはそれが深刻な問題を引き起こす可能性がある前に損傷についてユーザーに警告し、通常センサーで到達することができない領域で非常に微小な損傷を検出することができます。

「この方法の利点は、パターンが既存の機械部品に直接配置されるため、既存の機械にセンシング機能をシームレスに統合できることです」と述べています。 アンソン・マ、プロジェクトに取り組んだUConnの化学・生体分子工学の准教授。

シルバーフィラメントの線は平行線で構成され、それぞれ小さな3Dで印刷された抵抗が接続されています。 銀フィラメントは電気を通すことができるので、電圧が印加されると、相互接続された平行線が電気回路を形成する。

「摩耗が発生すると、これらの部品の一部が損傷し、電気信号が変化します」とMa氏は言います。 「この戦略により、通常の操作中に機械を分解することなく摩耗を検知し、安全性を高め、機械の停止時間を最小限に抑えることができます。」

コンポーネントが損傷すると、電気回路が破壊されます。 したがって、電圧レベルを読み取ることによって、遠隔およびリアルタイムで損傷を検出することができます。

アプリケーション

マイクロセンサは、例えば、ジェットエンジンタービンファンブレードのセラミックコーティング及びポリマーコーティングに埋め込むことができ、これらは、一貫して大きな圧力及び熱にさらされている。

保護コーティングのひび割れなどの微視的な損傷は、コンポーネントの機能に大きな影響を与える可能性がありますが、裸眼では文字通り見えない可能性があります。 しかし、内蔵センサーを使用すると、メカニックは、発生した最も微小な損傷であっても追跡することができ、重大な損傷が生じる前に修復することができます。

センサは、可動部品を含み、摩耗する可能性のあるあらゆる技術に埋め込むことができる。

「これは製造業の見方を変える」とDardonaは声明の中で述べた。 「機能をコンポーネントに統合して、よりインテリジェントにすることができます。」

これらのセンサーはあらゆる種類の摩耗、さらには腐食を検出し、その情報をエンドユーザーに報告します。 これにより、パフォーマンスが向上し、失敗が回避され、コストが削減されます。」

Dardonaはこれらのセンサーが航空宇宙、自動車および産業用機械 - 機械部品の状態をリアルタイムで正確に監視する必要がある産業で使用されることを想定しています。

ダイレクト・ライト・テクノロジは、センサ以外のものの作成にも使用できます。 チームは同じプロセスを使用して、内部に磁性コーティングまたは磁性材料が埋め込まれた独自の機械部品を作成しました。

彼らは、異常な磁性部品の作成を可能にする、任意かつ珍しい形状に成形することができるポリマー結合磁気インクを開発した。

「磁石製造のために、我々は磁性粒子とフォトポリマーを含む機能的なインクを調合しました。そして、それは紫外線にさらされると固まります」と、Maは言いました。

「まず直接描画法を使用して目的のパターンに従っていくつかのインクを塗布し、次にUVを適用してその層を（部分的に）固化させます。 デジタルファイルで設計されているように、任意の形状の3Dオブジェクトを作成するプロセスを繰り返します。

「重要なのは、UV誘起の固化が起こるまで、堆積したインクが形状を保持するように、インクの流動特性を制御することです。」

馬は、この磁石技術は幅広い産業用途を持っていると考えています。

「磁石は、発電機やオルタネータに電流を発生させ、インダクタなどの電磁装置の性能を向上させ、移動するピストンや回転シャフトの速度や位置を追跡するために使用できます」と彼は述べました。

この技術が設計者やエンジニアの手に渡ると、どれだけ多くのアプリケーションを持つことができるのか分かりません。

声明のなかで、Dardonaは磁性材料を部品に直接埋め込むことで、より空力的で軽量で効率的な先見的な製品設計につながる可能性があると指摘しました。

「印刷された磁石は、検知と作動に用途があります」とDardonaは言います。 「印刷プロセスは、既存の減法または機械加工技術では不可能な磁石設計を製造することができます。」

Dardonaは 特許 センサー技術のために。

コラボレーションが重要

DardonaとMaの両者は、UTRCとUConnの協力は非常に生産的であり、両者のユニークな貢献なしにプロジェクトを完了することはできないと強調した。

プロジェクトは、UTRCのDardonaチームによって資金提供され管理されていました。 Dardona氏は、UConnとの関係は、大学の独自のインクレオロジーと処方に関する専門知識のおかげで形成されたと語った。

「これは大学（学術界）と産業界の間の非常に実り多い協力関係でした」とMaは言いました。

「私たちの大学の研究グループは、高忠実度印刷に適した特性を備えた機能性インクの基本的な理解と配合に焦点を当てています。アプリケーション」

このようなコラボレーションは、生徒に実世界のリサーチ経験を得るためのユニークな機会を提供します。

コラボレーションの一環として、UConnの博士課程の学生であるAlan ShenがDardonaの研究チームに組み込まれました。 両方のプロジェクトの主任研究員として、彼は過去3年間これらの新技術の開発、テストおよび再テストを支援しました。

「それは私たちの学生にとっても非常にやりがいのあるものです」とMa氏は声明の中で述べています。

「これらのプロジェクトに関わっている学生は研究チームに完全に統合されています。 それは労働力開発の観点からだけではありません。 それはまた学生にUTRCのような美しい施設でプロのエンジニアと密接に働く機会を与えます。」