Les scientifiques du United Technologies Research Center et de l'UConn ont utilisé une technologie de fabrication additive avancée pour créer des composants de machine « intelligents » qui alertent les utilisateurs lorsqu'ils sont endommagés ou usés.

Les chercheurs ont également appliqué une variante de la technologie pour créer des aimants à liant polymère avec des géométries complexes et des formes arbitraires, ouvrant de nouvelles possibilités pour la fabrication et la conception de produits.

La clé des deux innovations est l'utilisation d'une forme avancée d'impression 3D appelée technologie d'écriture directe. Contrairement à la fabrication additive classique, qui utilise des lasers pour fusionner des couches de poudre métallique fine en un objet solide, La technologie d'écriture directe utilise une « encre » métallique semi-solide qui est extrudée à partir d'une buse. La viscosité de l'encre métallique ressemble à du dentifrice extrait d'un tube.

Ce processus a permis aux scientifiques de l'UConn-UTRC de créer de fines lignes de filament d'argent conducteur qui pourraient être intégrées dans les composants de la machine imprimée en 3D pendant leur fabrication. Les lignes, qui sont capables de conduire le courant électrique, agissent comme des capteurs d'usure qui peuvent détecter les dommages à la pièce.

Voici comment ils fonctionnent. Lignes parallèles de filament d'argent, chacun couplé à une minuscule résistance imprimée en 3D, sont intégrés dans un composant. Les lignes interconnectées forment un circuit électrique lorsqu'une tension est appliquée. Au fur et à mesure que les lignes sont intégrées de plus en plus profondément dans un composant à partir de la surface, chaque nouvelle ligne et résistance se voient attribuer une valeur de tension de plus en plus élevée. Tout dommage au composant, tels que l'usure ou l'abrasion causée par le frottement des pièces mobiles, couperait en une ou plusieurs lignes, couper le circuit à ce stade. Plus il y a de lignes brisées, plus les dégâts sont importants. Les lectures de tension en temps réel permettent aux ingénieurs d'évaluer les dommages potentiels et l'usure d'un composant sans avoir à démonter une machine entière.

Pour avoir une meilleure idée de la façon dont ces microcapteurs pourraient être utilisés, imaginez-les enfouis dans le revêtement céramique d'une aube de soufflante de turboréacteur. Ces lames sont soumises à d'énormes forces physiques et à la chaleur. Une fissure microscopique dans le revêtement protecteur pourrait potentiellement être catastrophique pour les performances de la lame, pourtant invisible à l'œil nu. Avec les capteurs embarqués, les mécaniciens seraient alertés rapidement de tout dommage à la lame afin qu'il puisse être traité.

« Cela change notre façon de voir la fabrication, " dit Sameh Dardona, Directeur Associé de la Recherche et de l'Innovation à l'UTRC, qui sert de moteur d'innovation à United Technologies Corp. « Nous pouvons désormais intégrer des fonctions dans des composants pour les rendre plus intelligents. Ces capteurs peuvent détecter tout type d'usure, même la corrosion, et rapporter ces informations à l'utilisateur final. Cela nous aide à améliorer les performances, éviter les échecs, et faire des économies."

L'équipe de l'UConn-UTRC a pu intégrer des lignes de capteurs d'une largeur de seulement 15 microns et espacées de 50 microns. C'est beaucoup plus fin qu'un cheveu humain moyen, qui est d'environ 100 microns. Cela permet de détecter des dommages très infimes.

Développer un capteur aussi précis n'est pas facile. UConn Professeur agrégé de génie chimique et biomoléculaire Anson Ma et titulaire d'un doctorat. étudiant du Laboratoire des Fluides Complexes de Ma, Alain Shen, mesuré et optimisé les propriétés d'écoulement de l'encre infusée d'argent afin que des lignes de la taille d'un micron puissent être déposées de manière fiable sans obstruer la buse ou provoquer un étalement substantiel après le dépôt.

Dardona de l'UTRC a déposé un brevet pour la technologie des capteurs d'usure intégrés.

Les scientifiques ont également utilisé la technologie d'écriture directe pour créer de nouveaux composants contenant des revêtements magnétiques ou des matériaux magnétiques intégrés. Ces aimants à liant polymère sont capables de se conformer à n'importe quelle forme, et élimine le besoin de boîtiers séparés dans les machines nécessitant des pièces magnétiques.

« Cela ouvre de nombreuses opportunités intéressantes, " dit Ma. " Imaginez des aimants qui peuvent prendre différentes formes et s'intégrer parfaitement entre d'autres composants fonctionnels. Aussi, le champ magnétique résultant qui est créé peut être davantage manipulé et optimisé en changeant la forme des aimants."

La méthode de fabrication d'aimants développée par UConn et UTRC améliore considérablement les pratiques de fabrication existantes d'autres manières également. Les méthodes actuelles de création d'aimants personnalisés imprimés en 3D reposent sur un durcissement à haute température, ce qui, malheureusement, réduit les propriétés magnétiques d'un matériau. Les scientifiques de l'UConn et de l'UTRC ont trouvé un moyen de contourner ce problème en utilisant une lumière UV à basse température pour durcir les aimants, semblable à la façon dont un dentiste utilise la lumière UV pour durcir un plombage. Les aimants résultants présentaient des performances nettement meilleures que les aimants créés par d'autres méthodes de fabrication additive.

Les aimants ont un large éventail d'applications industrielles, de la création de courants électriques dans les alternateurs au suivi de la position ou de la vitesse des pièces mobiles en tant que capteurs de haute qualité. L'incorporation de matériaux magnétiques directement dans les composants pourrait conduire à de nouvelles conceptions de produits plus aérodynamiques, briquet, et efficace, dit Dardona.

"C'est un bel exemple de collaboration entre la recherche industrielle et la recherche académique, " dit-il. " Nous avons toujours de nouveaux concepts que nous aimerions explorer. Cette collaboration nous a permis de tirer parti des connaissances, compétence, et les installations disponibles à UConn pour nous aider à relever certains de ces défis technologiques."

La collaboration profite également à UConn. Shen, le doctorat étudiant au labo de Ma, a été chercheur principal sur les deux projets, développement, essai, et re-tester la nouvelle technologie au cours des trois dernières années.

"Ces types de collaborations nous permettent d'aider des entreprises comme UTC à développer de nouvelles technologies que nous savons qu'elles vont faire passer au niveau supérieur, " dit Ma. "C'est aussi très gratifiant pour nos étudiants. Les étudiants impliqués dans ces projets sont pleinement intégrés à l'équipe de recherche. Ce n'est pas seulement formidable du point de vue du développement de la main-d'œuvre; cela donne également aux étudiants la possibilité de travailler en étroite collaboration avec des ingénieurs professionnels dans une belle installation comme l'UTRC. »

Des informations plus détaillées sur la fabrication des capteurs d'usure peuvent être trouvées dans un article dans La fabrication additive . Des détails sur la production d'écriture directe d'aimants à liant polymère peuvent être trouvés dans un article du Journal du magnétisme et des matériaux magnétiques .