美國(guó)陸軍利用傳感器對(duì)跟蹤檢測(cè)3D打印部件監(jiān)測(cè)，檢查磨損情況

aiyusheng

對(duì)于武裝部隊(duì)的成員來(lái)說(shuō)，3D打印部件具有一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵诂F(xiàn)場(chǎng)或野外，制造3D打印部件的成本較低，且方便快捷，這就提供了一種可使士兵保持移動(dòng)狀態(tài)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)。然而，與傳統(tǒng)鑄件或機(jī)加工部件相比，3D打印部件通常具有結(jié)構(gòu)缺陷，其會(huì)對(duì)強(qiáng)度和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而傳統(tǒng)機(jī)加工部件卻不會(huì)有此影響。成功完成任務(wù)，還是對(duì)任務(wù)進(jìn)行補(bǔ)救，很可能就取決于能否確定零件發(fā)生故障的時(shí)間。

馬里蘭州亞伯丁試驗(yàn)場(chǎng)的美國(guó)陸軍研究人員最近發(fā)現(xiàn)了一種方法，可利用傳感器對(duì)3D打印部件的性能和隨時(shí)間推移而退化的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。有了這些數(shù)據(jù)，他們可以預(yù)測(cè)部件何時(shí)需要進(jìn)行更換。

嵌入式傳感器或能更好地監(jiān)測(cè)磨損情況。圖片：美國(guó)陸軍研究實(shí)驗(yàn)室

研究小組利用傳感器監(jiān)測(cè)馬氏體時(shí)效鋼3D打印部件的磨損情況，馬氏體時(shí)效鋼是一種用鈷、鉬、鈦和鋁硬化的鋼。測(cè)試證實(shí)，傳感器能在故障發(fā)生前成功預(yù)測(cè)何時(shí)需要更換零件，從而避免昂貴的停機(jī)時(shí)間。這種類(lèi)型的預(yù)見(jiàn)性維護(hù)，加上能夠在野外制造替換部件，進(jìn)一步確保了軍事行動(dòng)的準(zhǔn)備狀態(tài)。

陸軍研究實(shí)驗(yàn)室機(jī)械部的機(jī)械工程師，該項(xiàng)目的首席研究員托德·亨利（Todd Henry）說(shuō)：“3D打印替換部件的能力還將顯著降低從更遠(yuǎn)的地方提供替換部件的后勤成本。”

亨利和他的團(tuán)隊(duì)在《高級(jí)制造技術(shù)國(guó)際學(xué)報(bào)》上發(fā)表了這一研究成果。預(yù)見(jiàn)性維護(hù)的目標(biāo)是在零件磨損之前，讓其壽命最大化。“如果我反復(fù)彎折一批回形針，它們會(huì)在經(jīng)過(guò)不同的時(shí)間后，因疲勞損傷而斷裂，具體取決于鋼材內(nèi)部的缺陷，”亨利說(shuō)，“現(xiàn)實(shí)世界中，每一種材料和結(jié)構(gòu)都有缺陷，這些缺陷使其在性能方面具有獨(dú)特性，因此，如果這批回形針需要21到30個(gè)周期才能斷裂，那么為了安全起見(jiàn)，我們?nèi)缃褚�做的就是�?5個(gè)周期后將這批回形針扔掉。”

亨利和研究小組評(píng)估了馬氏體時(shí)效鋼梁的實(shí)時(shí)疲勞行為，這些鋼梁是使用激光粉末床熔合（一種增材制造技術(shù)）制造的。該工作的目的是使用數(shù)字圖像相關(guān)（DIC），結(jié)構(gòu)柔度和渦流磁導(dǎo)率原位測(cè)量來(lái)確定鋼梁的疲勞行為。

測(cè)試包括通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT）測(cè)量孔隙率，納米壓痕模量和硬度以及原子力顯微鏡拓?fù)錅y(cè)量，隨后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)捕捉應(yīng)力—應(yīng)變磁導(dǎo)率行為，然后讓鋼梁進(jìn)行疲勞加載并監(jiān)測(cè)結(jié)果。

研究小組在他們的論文中寫(xiě)道：“結(jié)構(gòu)柔度和DIC拉伸應(yīng)變隨時(shí)間變化的測(cè)量結(jié)果表明，在大約90%的壽命期內(nèi)，對(duì)損傷是敏感的。DIC測(cè)量在情況下更加敏感，這取決于故障的位置和觀察，其中結(jié)構(gòu)柔度對(duì)故障位置始終不可知。渦流測(cè)量更能捕捉到50%壽命時(shí)的機(jī)械狀態(tài)，這也取決于故障位置。”

亨利指出，未來(lái)研究的首要挑戰(zhàn)之一是找到一種對(duì)疲勞壽命早期階段敏感的傳感器，而大多數(shù)階段都不敏感。“渦流反應(yīng)可能對(duì)50%的壽命期敏感，”亨利說(shuō)，“這個(gè)結(jié)果是可以的，但未來(lái)我們需要一個(gè)更好的傳感器，或者在設(shè)計(jì)中，制造一個(gè)始終是故障位置的結(jié)構(gòu)部分，因此需要監(jiān)測(cè)的材料體積更小。溫度也是一個(gè)值得關(guān)注的問(wèn)題——極端的高溫和低溫都會(huì)改變傳感器的行為，并可能損壞傳感器。”

這項(xiàng)研究的初步結(jié)果很有希望。亨利說(shuō)：“應(yīng)變或渦流傳感器可以提供測(cè)量結(jié)果，讓我們知道什么時(shí)候需要更換零件。”他希望開(kāi)發(fā)出一種傳感器技術(shù)工具，能夠跟蹤單個(gè)3D打印部件，并預(yù)測(cè)其故障點(diǎn)，這樣就可以在它們斷裂前幾個(gè)周期內(nèi)更換。

可以監(jiān)控的部件從門(mén)把手這樣的簡(jiǎn)單部件到直升機(jī)旋轉(zhuǎn)器輪轂這樣的任務(wù)關(guān)鍵部件都有。

亨利表示：“展望未來(lái)，我們需要更好的傳感器，能夠檢測(cè)結(jié)構(gòu)或材料行為的微小變化，捕捉疲勞壽命的最早期階段。另一種可能性是將傳感器小型化，使其可以嵌入器件中。我們還將研究機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用，而不是傳感器，來(lái)表征零件的壽命。”
來(lái)源：美國(guó)機(jī)械工程師學(xué)會(huì)

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重要零件壽命實(shí)時(shí)檢測(cè)是一項(xiàng)前沿技術(shù)。

遠(yuǎn)祥

現(xiàn)在3D打印已經(jīng)成為十分流行的一道風(fēng)景線了！