聯合技術研究中心和康涅狄格大學（UConn-UTRC）的科學家們使用先進的增材制造技術來制造“智能”機器組件，該組件可以在受損或磨損時提醒用戶他們。

    研究人員還應用了該技術的一種變體來制造具有復雜幾何形狀和任意形狀的聚合物結合的磁性體，為制造和產品設計開辟了新的可能性。

    這兩項創新的關鍵是使用直接寫入技術的高級3D打印方式。與使用激光將細金屬粉末層融合成固體物體的傳統增材制造不同，直接寫入技術使用的是從噴嘴擠出的半固態金屬“墨水”，金屬油墨的粘度看起來像是從管中擠出的牙膏。

    這一過程使UConn-UTRC的科學家們能夠創造出細線的導電銀絲，這些絲可以在制造過程中嵌入3D打印機組件中，這樣這些銀絲能夠傳導電流，因此可以擔當檢測部件損壞的磨損傳感器。

    讓我們簡述他們的工作方式：各個銀線是平行線，每個都與一個微型3D打印電阻耦合，嵌入到一個組件中。互連線路在施加電壓時形成電路，隨著線從表面越來越深地嵌入到元件中，每個新線和電阻器被分配越來越高的電壓值。對部件的任何損壞，例如由運動部件的摩擦引起的磨損或磨損，將切入一條或多條線，在該階段斷開電路。破壞的線越多，損壞越大，實時電壓讀數使工程師能夠評估組件的潛在損壞和磨損，而無需拆開整個機器。

    為了更好地了解這些微傳感器的使用方法，可以想象它們嵌入噴氣發動機渦輪風扇葉片的陶瓷涂層中。這些葉片受到巨大的力和熱量。保護涂層中的微觀裂縫可能對刀片的性能造成災難性后果，但是肉眼卻看不見，倘若使用嵌入式傳感器，可以及時向機械師發出任何葉片損壞警報以便得到解決。

    UTRC公司副總監Sameh Dardona表示：“這改變了我們對制造業的看法，我們現在可以將功能集成到組件中，使組件更加智能化。這些傳感器可以檢測任何類型的磨損，甚至能檢測腐蝕，并且最終將該信息報告給用戶，這有助于我們提高產品性能，避免故障并節省成本。”

    UConn-UTRC團隊能夠嵌入寬度僅為15微米，相距50微米的傳感器線。這比一般的人發（大約100微米）更薄，因此能夠檢測非常微小的損壞。

    開發這樣一種精確的傳感器并不容易。UConn化學與生物分子工程副教授Anson Ma博士和來自Ma的復雜流體實驗室的學生Alan Shen測量并優化了注入銀的墨水的流動特性，以便可以可靠地沉積微米級線條，而不會堵塞噴嘴或在沉積后導致銀元素大量擴散。

    UTRC的Dardona申請了嵌入式磨損傳感器技術專利

    科學家們還利用直接寫入技術創造出具有磁性涂層或嵌入其中的磁性材料的新型元件。這些聚合物結合的磁性材料能夠制成各種形狀，并且無需要在需要磁性部件的機器中使用單獨的外殼。

    Ma說：“這開辟了許多令人興奮的機會，想象一下，磁性材料可以采用不同的形狀，并可以無縫地安裝在其他功能部件之間。而且通過改變磁性材料的形狀，可以進一步操縱和優化所產生的合成磁場。”

    由UConn和UTRC開發的磁性體制造方法也以其他方式顯著改進了現有的制造技術。目前用于制造定制3D打印磁性材料的方法依賴于高溫固化，不幸的是，這降低了材料的磁性。康涅狄格大學和UTRC的科學家通過使用低溫紫外線固化磁鐵找到了解決這個問題的方法，這類似于牙醫使用紫外線來硬化填充物。由此產生的磁性材料表現出明顯優于由其他增材制造方法產生的磁性材料的性能。

    Dardona says：“磁性材料在工業中具有廣泛應用，從在交流發電機中產生電流到作為運動部件的高級傳感器的（檢測物體位置或速度）遍布存在。將磁性材料直接嵌入組件中可以使新產品設計更符合空氣動力學、更輕便、也更高效。”

    他補充：“這是工業研究和學術研究之間合作的一個很好的例子，我們總是有新的概念，我們想要探索。這種合作使我們能夠利用康涅狄格大學提供的知識、專業知識和設施來幫助我們解決其中一些工業技術中存在的挑戰。”

    此次合作也使UConn受益。在Ma實驗室的學生申博士，擔任這兩個項目的首席研究員，在過去三年中開發，測試和優化該新技術。

    Ma說：“這些合作使我們能夠幫助像UTC這樣的公司開發出讓他們提升到更高水平的新技術，這對我們的學生來說也是非常有益的，參與這些項目的學生完全融入研究團隊。從長遠發展的角度來看，這不僅是偉大的，它還讓學生有機會與UTRC等的高級專業工程師密切合作。”

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責任編輯：殷鵬飛

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