弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所（Fraunhofer ILT，以下簡稱激光所）在此前舉辦的德國法蘭克福國際3D 打印展覽會(huì)上，展示增材制造技術(shù)的最新研究成果。其中，來自亞琛的工程師們展示了用于直接部件打印的快速成型傳感器，這類傳感器可以為預(yù)測性維護(hù)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在激光粉末床熔融（LPBF）快速成型制造工藝中，一種新工藝可以將傳感器無縫插入到部件中。

　　工業(yè)4.0 和物聯(lián)網(wǎng)等趨勢，使得精確記錄機(jī)器和部件的狀態(tài)變得越來越重要。為了應(yīng)對收集足夠數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)，激光所為智能工業(yè)應(yīng)用開發(fā)了一種傳感器基礎(chǔ)設(shè)施，并利用增材制造工藝加以實(shí)施。通常情況下，傳感器都是人工安裝在部件表面的。除了在部件表面安裝傳感器外，新開發(fā)的工藝還可以將傳感器直接集成到部件中。這樣，就可以收集到有關(guān)部件內(nèi)部負(fù)載的重要特征數(shù)據(jù)。

　　手動(dòng)應(yīng)用傳感器往往不夠精確，畢竟傳感器需要記錄振動(dòng)、加速度或微米范圍內(nèi)的最小變形。激光所薄膜工藝組組長Samuel Moritz Fink 解釋說：“在許多情況下，手動(dòng)應(yīng)用傳感器過于不精確且不具有可重復(fù)性。此外，用戶對自動(dòng)化工藝的要求也越來越高。”

　　精度更高的打印傳感器

　　在本次展會(huì)上，激光所向外界展示了帶有增材制造傳感器的乘用車橫向連接裝置。Fink 說：“我們在橫向連桿上打印的力傳感器厚度不到200 微米，包括絕緣層、保護(hù)層和電氣連接。我們可以隨時(shí)確定某種具體的作用力大小。例如，傳感器可以連續(xù)測量轉(zhuǎn)彎時(shí)的力的變化，并在缺陷出現(xiàn)之前發(fā)出警告。”

　　他還表示說：力傳感器可以在最小的裂紋導(dǎo)致部件故障之前將其記錄下來。除力傳感器外，還可以在部件上安裝其他傳感器，例如用于檢測溫度、振動(dòng)或聲音、壓力或加速度、光、張力、不同的氣體和液體。用于絕緣層和保護(hù)層的特殊聚合物可以承受高達(dá)300℃的溫度。

　　這種工藝的應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其是因?yàn)樗転轭A(yù)測性維護(hù)提供可靠的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)：例如它可用于單獨(dú)監(jiān)控電池單元、優(yōu)化海上風(fēng)力渦輪機(jī)的維護(hù)間隔或改進(jìn)機(jī)械和設(shè)備工程的流程。

　　制造智能組件的多階段工藝

　　此外，激光所在本屆展會(huì)上展示的另一項(xiàng)杰出創(chuàng)新是在增材制造過程中無縫集成傳感器。在激光粉末床熔融（LPBF）等三維結(jié)構(gòu)打印工藝的幫助下，打印出的傳感器可以在制造過程中直接集成到部件中。

　　研究人員在現(xiàn)場用一個(gè)增材制造的銑頭來演示這項(xiàng)技術(shù)。使用LPBF 的結(jié)構(gòu)打印工藝被中斷，以通過數(shù)字功能打印工藝和激光熱后處理來集成應(yīng)變片。然后繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)打印工藝，完成智能部件。

　　通過將結(jié)構(gòu)和功能印刷與激光后處理相結(jié)合，激光所已經(jīng)證明，集成傳感器技術(shù)的部件可以完全采用增材制造的方式。這不僅使他們能夠精確放置傳感器以進(jìn)行復(fù)雜的狀態(tài)分析，還能保護(hù)傳感器免受機(jī)械環(huán)境應(yīng)力的影響。

　　“傳感器的幾何形狀可以根據(jù)組件進(jìn)行定制。未來，甚至還可以設(shè)想集成加熱器等附加功能元件”，SamuelFink 說，“這項(xiàng)技術(shù)開辟了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，從工具制造和機(jī)械制造領(lǐng)域到汽車工業(yè)，再到能源、航空航天和航空領(lǐng)域。”

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