Gli scienziati del United Technologies Research Center (UTRC) e dell'Università del Connecticut hanno ha sviluppato sensori "intelligenti" progettato per essere incorporato nelle parti della macchina e avvisare gli utenti di danni o usura minuscoli.

I sensori vengono creati utilizzando un metodo di stampa 3D avanzato chiamato tecnologia di scrittura diretta.

In genere, la stampa 3D, nota anche come produzione additiva, prevede l'utilizzo di laser per fondere strati di una polvere di metallo fine in un oggetto solido. Con la tecnologia di scrittura diretta, un materiale simile a pasta esce da un ugello, come l'inchiostro di una penna, e può essere applicato a vari materiali di supporto.

"La tecnologia di scrittura diretta è in grado di depositare sottili tracce di materiali conduttivi, semi-conduttivi, isolanti, resistivi o magnetici su superfici 3D", ha affermato Sameh Dardona, direttore associato di ricerca e innovazione presso UTRC e capo ricercatore del progetto.

"La tecnologia influenzerà il modo in cui produciamo e integriamo i sensori nei prodotti in quanto ci consente di depositare direttamente i materiali di rilevamento su superfici senza la necessità di alloggiamento, substrati o staffe".

Sia il metodo di scrittura diretta che i componenti del sensore intelligente sono stati sviluppati nel laboratorio di scrittura diretta di UTRC.

Il metodo

Con la tecnologia di scrittura diretta, i ricercatori sono in grado di integrare minuscole linee di filamento d'argento conduttivo - larghe solo 15 micron e distanti 50 micron, più sottili della media dei capelli umani - in una macchina mentre viene costruita.

Come una stringa infilata in un capo di abbigliamento, i minuscoli sensori sono intrecciati in tutta la macchina. Sono in grado di rilevare danni molto piccoli in aree che di solito non possono essere raggiunte dai sensori, avvisando gli utenti dei danni prima che possano causare seri problemi.

"La bellezza di questo metodo è che i modelli vengono depositati direttamente sui componenti della macchina esistenti, consentendo una perfetta integrazione della funzionalità di rilevamento nei macchinari esistenti", ha affermato Anson Ma, professore associato di ingegneria chimica e biomolecolare presso UConn, che ha lavorato al progetto.

Le linee di filamenti argentati sono organizzate in linee parallele, ciascuna accoppiata con una minuscola resistenza 3D. Il filamento d'argento è in grado di condurre elettricità, quindi quando viene applicata una tensione, le linee parallele interconnesse formano un circuito elettrico.

"Quando si verifica l'usura, parte di queste parti viene danneggiata, con conseguente cambiamento nel segnale elettrico", ha detto Ma. "Questa strategia apre la possibilità di rilevare l'usura senza smontare la macchina durante le normali operazioni, migliorando la sicurezza e minimizzando i tempi di fermo macchina".

Quando il componente è danneggiato, il circuito elettrico è rotto. I danni possono quindi essere rilevati da remoto e in tempo reale leggendo i livelli di tensione.

Applicazioni

I microsensori potrebbero essere incorporati, ad esempio, nei rivestimenti ceramici e polimerici delle pale dei ventilatori delle turbine dei motori a getto, che sono costantemente soggetti ad immensa pressione e calore.

Un danno microscopico, come una crepa nel rivestimento protettivo, potrebbe avere un impatto significativo sulla funzione del componente, ma potrebbe essere letteralmente invisibile ad occhio nudo. I sensori incorporati, tuttavia, consentirebbero ai meccanici di tenere traccia anche del danno più minuscolo mentre si verifica e di ripararlo prima che possano creare danni più significativi.

I sensori possono essere incorporati in qualsiasi tecnologia che coinvolga parti in movimento ed è soggetta ad usura.

"Questo cambia il modo in cui guardiamo alla produzione", ha dichiarato Dardona in una nota. "Ora possiamo integrare le funzioni nei componenti per renderle più intelligenti."

"Questi sensori sono in grado di rilevare qualsiasi tipo di usura, anche corrosione, e di comunicare tali informazioni all'utente finale. Questo ci aiuta a migliorare le prestazioni, evitare guasti e risparmiare sui costi ".

Dardona prevede che questi sensori vengano utilizzati nelle macchine aerospaziali, automobilistiche e industriali, settori in cui è necessario monitorare accuratamente le condizioni dei componenti delle macchine in tempo reale.

La tecnologia di scrittura diretta può anche essere utilizzata per creare più di un semplice sensore. Il team ha utilizzato lo stesso processo per creare componenti di macchine uniche con rivestimenti magnetici o materiali magnetici incorporati al loro interno.

Hanno sviluppato un inchiostro magnetico legato con polimero che può essere modellato in forme arbitrarie e insolite, consentendo la creazione di componenti magnetici insoliti.

"Per la fabbricazione di magneti, abbiamo formulato un inchiostro funzionale contenente particelle magnetiche e fotopolimero, che si solidifica in seguito all'esposizione alla luce UV", ha affermato Ma.

“Per prima cosa stendiamo alcuni inchiostri seguendo uno schema desiderato usando il metodo di scrittura diretta, quindi applichiamo i raggi UV per solidificare (parzialmente) quello strato. Ripetiamo il processo per creare un oggetto 3D con forme arbitrarie come progettato nel file digitale.

"La chiave è controllare le proprietà di flusso dell'inchiostro in modo tale che l'inchiostro depositato mantenga la forma fino a quando si verifica la solidificazione indotta dai raggi UV."

Ma ritiene che questa tecnologia magnetica abbia una vasta gamma di applicazioni industriali.

"I magneti possono essere utilizzati per creare una corrente elettrica in un generatore o alternatore, migliorare le prestazioni di dispositivi elettromagnetici come induttori e tenere traccia della velocità o della posizione di un pistone in movimento o di un albero rotante", ha affermato.

Una volta che questa tecnologia è nelle mani di progettisti e ingegneri, non si può dire quante applicazioni potrebbe avere.

In una dichiarazione, Dardona ha osservato che l'incorporamento di materiale magnetico direttamente nei componenti potrebbe portare a progetti di prodotti visionari che sono più aerodinamici, più leggeri ed efficienti.

"I magneti stampati avranno applicazioni nel rilevamento e nell'attuazione", ha affermato Dardona. "Il processo di stampa può fabbricare progetti di magneti che non sono possibili utilizzando tecniche sottrattive o di lavorazione esistenti."

Dardona ha fatto domanda per a brevetto per la tecnologia dei sensori.

La collaborazione è la chiave

Sia Dardona che Ma hanno sottolineato che la collaborazione tra UTRC e UConn è stata molto produttiva e che il progetto non avrebbe potuto essere completato senza i contributi unici di entrambe le parti.

Il progetto è stato finanziato e gestito dal team di Dardona presso UTRC. Dardona ha affermato che il rapporto con UConn si è formato a causa della competenza unica dell'università nella reologia e formulazione dell'inchiostro.

"Questa è stata una collaborazione estremamente fruttuosa tra università (mondo accademico) e industria", ha detto Ma.

"Il nostro gruppo di ricerca universitario si concentra sulla comprensione e la formulazione fondamentali degli inchiostri funzionali con proprietà appropriate per la stampa ad alta fedeltà, mentre il nostro partner industriale (UTRC) sta guidando la progettazione dei sensori e applicando questa tecnologia per affrontare importanti sfide tecniche legate al sensore di usura e al magnete applicazioni “.

Tali collaborazioni forniscono anche agli studenti un'opportunità unica per acquisire esperienza di ricerca nel mondo reale.

Nell'ambito della collaborazione, Alan Shen, uno studente di dottorato presso la UConn, è stato inserito nel gruppo di ricerca di Dardona. In qualità di ricercatore principale in entrambi i progetti, ha collaborato allo sviluppo, al collaudo e al test di queste nuove tecnologie negli ultimi tre anni.

"È anche molto gratificante per i nostri studenti", ha detto Ma in una dichiarazione.

“Gli studenti coinvolti in questi progetti sono completamente integrati nel gruppo di ricerca. Non è eccezionale solo dal punto di vista dello sviluppo della forza lavoro; offre inoltre agli studenti la possibilità di lavorare a stretto contatto con ingegneri professionisti in una splendida struttura come UTRC. ”