集成传感器技术： 增材制造的下一步

弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT，以下简称激光所）在此前举办的德国法兰克福国际3D打印展览会上，展示增材制造技术的最新研究成果。其中，来自亚琛的工程师们展示了用于直接部件打印的快速成型传感器，这类传感器可以为预测性维护提供实时数据。在激光粉末床熔融（LPBF）快速成型制造工艺中，一种新工艺可以将传感器无缝插入到部件中。

带有压印力传感器的横向连接装置可随时测量应用中的应力，并记录缺陷发生前出现的最小裂纹

工业4.0和物联网等趋势，使得精确记录机器和部件的状态变得越来越重要。为了应对收集足够数据的挑战，激光所为智能工业应用开发了一种传感器基础设施，并利用增材制造工艺加以实施。通常情况下，传感器都是人工安装在部件表面的。除了在部件表面安装传感器外，新开发的工艺还可以将传感器直接集成到部件中。这样，就可以收集到有关部件内部负载的重要特征数据。

手动应用传感器往往不够精确，毕竟传感器需要记录振动、加速度或微米范围内的最小变形。激光所薄膜工艺组组长Samuel Moritz Fink解释说：“在许多情况下，手动应用传感器过于不精确且不具有可重复性。此外，用户对自动化工艺的要求也越来越高。”

精度更高的打印传感器

在本次展会上，激光所向外界展示了带有增材制造传感器的乘用车横向连接装置。Fink说：“我们在横向连杆上打印的力传感器厚度不到200微米，包括绝缘层、保护层和电气连接。我们可以随时确定某种具体的作用力大小。例如，传感器可以连续测量转弯时的力的变化，并在缺陷出现之前发出警告。”

他还表示说：力传感器可以在最小的裂纹导致部件故障之前将其记录下来。除力传感器外，还可以在部件上安装其他传感器，例如用于检测温度、振动或声音、压力或加速度、光、张力、不同的气体和液体。用于绝缘层和保护层的特殊聚合物可以承受高达300℃的温度。

这种工艺的应用范围非常广泛，尤其是因为它能为预测性维护提供可靠的实时数据：例如它可用于单独监控电池单元、优化海上风力涡轮机的维护间隔或改进机械和设备工程的流程。

制造智能组件的多阶段工艺

此外，激光所在本届展会上展示的另一项杰出创新是在增材制造过程中无缝集成传感器。在激光粉末床熔融（LPBF）等三维结构打印工艺的帮助下，打印出的传感器可以在制造过程中直接集成到部件中。

在打印过程中将应变仪集成到刀头中

研究人员在现场用一个增材制造的铣头来演示这项技术。使用LPBF的结构打印工艺被中断，以通过数字功能打印工艺和激光热后处理来集成应变片。然后继续进行结构打印工艺，完成智能部件。

通过将结构和功能印刷与激光后处理相结合，激光所已经证明，集成传感器技术的部件可以完全采用增材制造的方式。这不仅使他们能够精确放置传感器以进行复杂的状态分析，还能保护传感器免受机械环境应力的影响。

“传感器的几何形状可以根据组件进行定制。未来，甚至还可以设想集成加热器等附加功能元件”，Samuel Fink说，“这项技术开辟了广泛的应用领域，从工具制造和机械制造领域到汽车工业，再到能源、航空航天和航空领域。”

作者：Samuel Moritz（弗劳恩霍夫激光技术研究所）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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