近日，美国联合技术研究中心（UTRC）与康涅狄格大学（UConn）的科学家们采用先进的增材制造技术制造出“智能”机器组件，该组件在遭到损坏或磨损时可以提醒用户。

  研究人员还通过对这项技术稍加修改，创造出了具有各种复杂几何形状的聚合物键合（polymer-bonded）的磁体，为产品的设计与制造开辟了新的可能性。

  这两项创新的关键是采用了3D打印技术的高级形式，也称为“直接写入技术”（direct write technology）。传统的增材制造技术，采用激光将精细的金属粉末层熔化为液体。不同于传统的增材制造技术，直接写入技术采用从喷嘴里挤出的半固态金属“油墨”。金属油墨的粘度看上去有点像从管子里面挤出的牙膏。

  康涅狄格大学与联合技术研究中心（UConn-UTRC）的科学家们利用这种工艺制造出由导电银丝组成的细线。在制造的时候，导电银丝可以嵌入到3D打印的机器组件中。这种导电线可充当磨损传感器，检测部件的损伤。

  关于制造磨损传感器更多信息可以在《增材制造（Additive Manufacturing）》期刊上的论文中找到。关于通过直接写入法制造聚合物键合的磁体的细节信息可以在《磁学与磁性材料杂志（Journal of Magnetism and Magnetic Materials）》上的论文中找到。

  UTRC 的两位工程师 Dustin Caldwell 和 Callum Bailey 也为这项研究作出了贡献。UTRC 的 Dardona 已经为这项嵌入式的磨损传感器技术申请了专利。

  它们的工作方式是这样的：银丝的平行线，每条都与一个3D打印的微型电阻关联，嵌入到一个组件中。施加电压时，这些互连线形成电路。随着这些线越来越深地从表面嵌入到元件内部，每条新线和电阻都被赋予越来越高的电压值。元件的任何损伤，例如运动部件相互摩擦引起的磨损，将会切断一条或多条线，从而一段时间内断开电路。断开的线越多，损伤就越大。工程师们利用实时的电压读数，就可以评估元件的损伤，而无需拆开整个机器。

  为了更好地使用这些微型传感器，我们可以想象它们被嵌入到喷气发动机涡轮风扇叶片的陶瓷涂层中。这些叶片会遭受到巨大的物理作用力与热量。保护涂层中的微小裂缝，有可能会对叶片的性能产生灾难性的破坏，而肉眼却无法观察到。通过嵌入传感器，技术员可以迅速地了解到任何的叶片损伤，以便及时处理。

  UConn-UTRC 的团队能将宽度仅为15微米、相距50微米的传感器线嵌入到机器组件中。这些线比人类头发丝（约100微米）细得多，从而可以检测到非常微小的损伤。

  开发如此精准的传感器并不容易。UConn 化学与生物分子工程副教授 Anson Ma 及Ma 的复杂流体实验室的博士生 Alan Shen 测量并优化了注入银的油墨的流动特性，以便可靠地沉积微米级的线，而且不会堵塞喷嘴，或者在沉积之后引起大量的扩散。

  科学家们也采用直接写入技术，创造出具有磁性涂层或者在其中嵌入了磁性材料的新型组件。这些聚合物键合的磁体能制成任何形状，并且无需在需要磁性部件的机器中使用单独的外壳。

  Ma 说：“这开辟了许多令人兴奋的的机会，想象一下，磁体可以具有不同形状，并能无缝地安装在其他功能组件之间。同时，通过改变磁体的形状 ，可以进一步操控和优化产生的磁场。”

  UConn 和 UTRC 开发的磁体制造方法，也通过其他途径，显著地改善了现有的制造技术。目前，制造定制3D打印的磁体的方法依赖于高温加工，然而不幸地的是，这种方法会减弱材料的磁性。UConn 和 UTRC 的科学家们找到了解决这一问题的办法，他们采用低温紫外线加工磁体，类似牙科医生采用紫外线来硬化填充物。这种方法产生的磁体比其他增材制造方案制造出的磁体，性能要好得多。

  UTRC 研究与创新部门（联合技术公司的创新引擎）副总监 Sameh Dardona 表示：“这改变我们看待制造业的方式。现在，我们可以将这些功能集成到组件中，使得组件更加智能。这些传感器可以检测任何类型的磨损，甚至腐蚀，将信息报告给终端用户。这将帮助我们改善性能，避免失败，节约成本。”

  此外，磁体也具有广泛的应用，从在交流发电机中制造电流，到作为高级传感器追踪活动部件的位置或速度。Dardona 表示，在组件中直接嵌入磁性材料，将带来更符合空气动力学、更轻、更高效的新型产品设计。