美國陸軍利用傳感器對跟蹤檢測3D打印部件監(jiān)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(guān)鍵優(yōu)勢,，因為在現(xiàn)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(tài)的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢,。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,，其會對強(qiáng)度和性能產(chǎn)生負(fù)面影響，而傳統(tǒng)機(jī)加工部件卻不會有此影響,。成功完成任務(wù),，還是對任務(wù)進(jìn)行補(bǔ)救，很可能就取決于能否確定零件發(fā)生故障的時間,。

馬里蘭州亞伯丁試驗場的美國陸軍研究人員最近發(fā)現(xiàn)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(jìn)行監(jiān)測。有了這些數(shù)據(jù),，他們可以預(yù)測部件何時需要進(jìn)行更換,。

嵌入式傳感器或能更好地監(jiān)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(jiān)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(fā)生前成功預(yù)測何時需要更換零件，從而避免昂貴的停機(jī)時間,。這種類型的預(yù)見性維護(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的準(zhǔn)備狀態(tài),。

陸軍研究實驗室機(jī)械部的機(jī)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(yuǎn)的地方提供替換部件的后勤成本�,！�

亨利和他的團(tuán)隊在《高級制造技術(shù)國際學(xué)報》上發(fā)表了這一研究成果,。預(yù)見性維護(hù)的目標(biāo)是在零件磨損之前，讓其壽命最大化,�,！叭绻�我反��(fù)彎折一批回形針，它們會在經(jīng)過不同的時間后，因疲勞損傷而斷裂,，具體取決于鋼材內(nèi)部的缺陷,，”亨利說，“現(xiàn)實世界中,，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?nèi)缃褚�做的就是�?5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(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)率原位測量來確定鋼梁的疲勞行為。

測試包括通過X射線計算機(jī)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?fù)錅y量,，隨后進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)實驗捕捉應(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)測結(jié)果,。

研究小組在他們的論文中寫道：“結(jié)構(gòu)柔度和DIC拉伸應(yīng)變隨時間變化的測量結(jié)果表明，在大約90%的壽命期內(nèi),，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(jié)構(gòu)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(jī)械狀態(tài)，這也取決于故障位置,�,！�

亨利指出，未來研究的首要挑戰(zhàn)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(shù)階段都不敏感,。“渦流反應(yīng)可能對50%的壽命期敏感,，”亨利說,，“這個結(jié)果是可以的，但未來我們需要一個更好的傳感器,，或者在設(shè)計中,，制造一個始終是故障位置的結(jié)構(gòu)部分，因此需要監(jiān)測的材料體積更小。溫度也是一個值得關(guān)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(jié)果很有希望,。亨利說：“應(yīng)變或渦流傳感器可以提供測量結(jié)果,，讓我們知道什么時候需要更換零件�,！彼�希望開發(fā)出一種傳感器技術(shù)工具,，能夠跟蹤單個3D打印部件，并預(yù)測其故障點,，這樣就可以在它們斷裂前幾個周期內(nèi)更換,。

可以監(jiān)控的部件從門把手這樣的簡單部件到直升機(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,，我們需要更好的傳感器,，能夠檢測結(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,，來表征零件的壽命�,！�
來源：美國機(jī)械工程師學(xué)會

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