美國陸軍利用傳感器對跟蹤檢測3D打印部件監測，檢查磨損情況

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對于武裝部隊的成員來說，3D打印部件具有一個關鍵優勢，因為在現場或野外，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狀態的戰術優勢。然而，與傳統鑄件或機加工部件相比，3D打印部件通常具有結構缺陷，其會對強度和性能產生負面影響，而傳統機加工部件卻不會有此影響。成功完成任務，還是對任務進行補救，很可能就取決于能否確定零件發生故障的時間。

馬里蘭州亞伯丁試驗場的美國陸軍研究人員最近發現了一種方法，可利用傳感器對3D打印部件的性能和隨時間推移而退化的情況進行監測。有了這些數據，他們可以預測部件何時需要進行更換。

嵌入式傳感器或能更好地監測磨損情況。圖片：美國陸軍研究實驗室

研究小組利用傳感器監測馬氏體時效鋼3D打印部件的磨損情況，馬氏體時效鋼是一種用鈷、鉬、鈦和鋁硬化的鋼。測試證實，傳感器能在故障發生前成功預測何時需要更換零件，從而避免昂貴的停機時間。這種類型的預見性維護，加上能夠在野外制造替換部件，進一步確保了軍事行動的準備狀態。

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

亨利和他的團隊在《高級制造技術國際學報》上發表了這一研究成果。預見性維護的目標是在零件磨損之前，讓其壽命最大化。“如果我反復彎折一批回形針，它們會在經過不同的時間后，因疲勞損傷而斷裂，具體取決于鋼材內部的缺陷，”亨利說，“現實世界中，每一種材料和結構都有缺陷，這些缺陷使其在性能方面具有獨特性，因此，如果這批回形針需要21到30個周期才能斷裂，那么為了安全起見，我們如今要做的就是在15個周期后將這批回形針扔掉。”

亨利和研究小組評估了馬氏體時效鋼梁的實時疲勞行為，這些鋼梁是使用激光粉末床熔合（一種增材制造技術）制造的。該工作的目的是使用數字圖像相關（DIC），結構柔度和渦流磁導率原位測量來確定鋼梁的疲勞行為。

測試包括通過X射線計算機斷層掃描（CT）測量孔隙率，納米壓痕模量和硬度以及原子力顯微鏡拓撲測量，隨后進行準靜態實驗捕捉應力—應變磁導率行為，然后讓鋼梁進行疲勞加載并監測結果。

研究小組在他們的論文中寫道：“結構柔度和DIC拉伸應變隨時間變化的測量結果表明，在大約90%的壽命期內，對損傷是敏感的。DIC測量在情況下更加敏感，這取決于故障的位置和觀察，其中結構柔度對故障位置始終不可知。渦流測量更能捕捉到50%壽命時的機械狀態，這也取決于故障位置。”

亨利指出，未來研究的首要挑戰之一是找到一種對疲勞壽命早期階段敏感的傳感器，而大多數階段都不敏感。“渦流反應可能對50%的壽命期敏感，”亨利說，“這個結果是可以的，但未來我們需要一個更好的傳感器，或者在設計中，制造一個始終是故障位置的結構部分，因此需要監測的材料體積更小。溫度也是一個值得關注的問題——極端的高溫和低溫都會改變傳感器的行為，并可能損壞傳感器。”

這項研究的初步結果很有希望。亨利說：“應變或渦流傳感器可以提供測量結果，讓我們知道什么時候需要更換零件。”他希望開發出一種傳感器技術工具，能夠跟蹤單個3D打印部件，并預測其故障點，這樣就可以在它們斷裂前幾個周期內更換。

可以監控的部件從門把手這樣的簡單部件到直升機旋轉器輪轂這樣的任務關鍵部件都有。

亨利表示：“展望未來，我們需要更好的傳感器，能夠檢測結構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。我們還將研究機器學習應用，而不是傳感器，來表征零件的壽命。”
來源：美國機械工程師學會

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遠祥

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