コネチカット大学はどのようにしてスマートパーツの 3D プリントを実現したのでしょうか?

センサーは、自動検出と自動制御を実現するための主要なリンクです。センサーは物体に触覚、味覚、嗅覚などの感覚を与え、物体や機械部品に「生命」を与えます。センサーが機械部品の損傷や故障を感知する上で重要な役割を果たしていることは理解しにくいことではありません。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（UConn）の研究者は、3D プリント技術を使用して、機械部品と統合された埋め込み型マイクロセンサーを製造し、損傷を感知できるスマート部品を開発しています。それで、彼らはこのアプリケーションをどのように実装したのでしょうか?

直接書き込み 3D プリントは、コンポーネントに埋め込まれた損傷検出センサーの作成に使用できます。画像提供: コネチカット大学。人間の髪の毛よりも細いマイクロセンサー<br /> このアプリケーションのコア技術は、直接書き込み3D印刷技術であると理解されています。印刷材料は半固体の金属インクであり、インクは印刷ノズルによって押し出されます。メタリックインクの粘度は歯磨き粉の粘度に似ています。

科学者たちは、直接書き込み型 3D 印刷技術を使用して、3D 印刷された機械部品を製造する際にコンポーネントに埋め込まれる超微細導電性フィラメントを印刷しました。導電性フィラメントは摩耗センサーとして機能し、機械部品のあらゆる種類の摩耗や腐食を検出し、この情報を機械のユーザーにフィードバックします。このアプリケーションは損失を回避し、コストを節約するのに役立ちます。

センサーは次のように動作します。
それぞれの平行な銀線は、コンポーネントに埋め込まれた小さな 3D プリント抵抗器に結合されています。相互接続は、電圧が印加されると回路を形成します。ワイヤが表面からコンポーネントの奥深くまで埋め込まれるにつれて、新しいワイヤと抵抗器にはより高い電圧値が割り当てられます。可動部品の摩擦や磨耗などの損傷により、1 本以上のワイヤが切断され、この段階で回路が切断されます。損傷したワイヤが多いほど、コンポーネントが受けた損傷が大きくなります。リアルタイムの電圧測定により、エンジニアは機械全体を分解することなく、コンポーネントの潜在的な損傷を評価できます。

3D プリントされた磁気部品。画像提供: コネチカット大学。次の実際のアプリケーション例は、3D プリントセンサーの役割をよりよく理解するのに役立ちます。たとえば、3D プリント技術を使用して、ジェットエンジンのタービンブレードのセラミックコーティングに埋め込みセンサーを作成できます。ブレードが大きな物理的力と熱にさらされて微細な亀裂が生じると、ブレードの性能に壊滅的な影響が生じます。ただし、これらの微細な亀裂は肉眼では見えず、埋め込みセンサーはこれらの亀裂を適時に検出し、メカニックに損傷の警告を適時に送信できます。

研究チームは、インク直接書き込み3Dプリント技術を使用して、幅わずか15ミクロン、間隔50ミクロンのセンサーラインを埋め込むことができます。つまり、センサーラインは平均的な人間の髪の毛よりも細いということです。このような微細な寸法は、この技術で作られたセンサーが極めて小さな損傷を検出できることを意味します。

このような精密なセンサーを開発するのは容易ではなく、金属インクの流動性を制御することが鍵となる技術です。コネチカット大学化学・生体分子工学准教授のアンソン・マ氏と複合流体研究室の博士課程の学生は、注入された銀インクの流動特性を測定、最適化し、ノズルが詰まったり、インクを注入した後にインクが広がったりすることなく、マイクロメートル規模の金属ワイヤを確実に注入できるようにしました。

あらゆる形状の磁気部品<br /> 上記の用途に加えて、研究チームは直接書き込み 3D 印刷技術を使用して、磁性コーティングまたは埋め込まれた磁性材料を備えた新しいコンポーネントを製造することができました。これらのポリマー結合磁石はさまざまな形状に適合することができ、磁気コンポーネントが必要な機械内に別のハウジングを必要としません。つまり、磁石は、異なる形状の他の機能部品の間にシームレスに設置することができます。結果として生じる磁場は、磁石の形状を変更することでさらに操作および最適化できます。

現在、カスタム 3D プリント磁石を製造する方法は高温硬化に依存していますが、この方法では材料の磁気特性が低下します。コネチカット大学とUTRCの研究チームは、磁石を硬化させるために低温の紫外線を使用した。これは歯科医が詰め物を硬化させるために紫外線を使用するのと似た技術である。コネチカット大学によると、この結果得られた磁石は、他の付加製造方法で製造された磁石よりも大幅に優れた性能を示したという。

オルタネーター内で電流を生成する部品から、可動部品の位置や速度を追跡する高度なセンサーまで、磁石は幅広い産業用途に使用されています。磁性材料を部品に直接埋め込む 3D プリント技術により、新しい製品の設計はより空気力学的で軽量かつ効率的になります。

直接書き込み 3D 印刷技術は、2 次元および 3 次元の微細構造部品や電子部品の迅速な製造の分野で幅広い応用範囲を持っています。具体的な商業用途としては、プリンテッドエレクトロニクス、太陽電池、マイクロ流体チップ、新しい複合材料、組織工学などが挙げられます。

市場調査によると、ハーバード大学のルイス教授も、高スループットのマルチノズル3D印刷技術である直接描画3D印刷技術を開発しました。ルイス教授の直接描画技術の説明は、第1のマイクロチャネルネットワークと第2のマイクロチャネルネットワークという2つの独立したマイクロチャネルネットワークを含むマルチノズル堆積システムに焦点を当てています。最初のタイプのインクは、主にシリコンやエポキシ樹脂などのポリマープラスチックで構成されています。

UTRC とコネチカット大学の研究で言及されている直接書き込み 3D 印刷技術の用途の 1 つは、埋め込み型ブレードセンサーの製造です。 3D Science Valley の市場観察によると、GE は別の積層造形技術であるエアロゾルジェット技術を通じて、タービンエンジンブレードセンサー向けのアプリケーションも開発しています。

2017年1月17日にGEが承認した特許では、タービン部品のひずみセンサーの製造方法が公開された。この方法には、タービン部品の外面を計画し、外面の指定された位置にセラミック材料を堆積する方法が含まれます。この特許では、少なくとも 2 つの基準点を形成するひずみセンサーを含むタービン部品の監視方法も開示されています。ひずみセンサーのセラミック粉末は、自動化された 3D プリント積層製造プロセスを通じてブレード表面に堆積されます。セラミック材料には、イットリアや安定化ジルコニアなどの熱遮断コーティングを含めることができます。ただし、一部の特殊なタービン部品の位置では、熱遮断コーティングは必要ありません。

出典: 3Dサイエンスバレー

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