Los científicos del United Technologies Research Center y UConn utilizaron tecnología avanzada de fabricación aditiva para crear componentes de máquina 'inteligentes' que alertan a los usuarios cuando están dañados o desgastados.
Los investigadores también aplicaron una variación de la tecnología para crear imanes unidos con polímeros con intrincadas geometrías y formas arbitrarias, abriendo nuevas posibilidades para la fabricación y el diseño de productos.
La clave de ambas innovaciones es el uso de una forma avanzada de impresión 3D llamada tecnología de escritura directa. A diferencia de la fabricación aditiva convencional, que usa láseres para fusionar capas de polvo de metal fino en un objeto sólido, la tecnología de escritura directa usa tinta de metal semisólido'que se extruye de una boquilla. La viscosidad de la tinta metálica se parece a la pasta de dientes que se extrae de un tubo.
Este proceso permitió a los científicos de UConn-UTRC crear líneas finas de filamento de plata conductivo que podrían incrustarse en los componentes de la máquina impresa en 3D mientras se fabricaban. Las líneas, que son capaces de conducir corriente eléctrica, actúan como sensores de desgaste que pueden detectardaño a la parte.
Así es como funcionan. Las líneas paralelas de filamento de plata, cada una junto con una pequeña resistencia impresa en 3D, están incrustadas en un componente. Las líneas interconectadas forman un circuito eléctrico cuando se aplica voltaje. A medida que las líneas se incrustan más y más profundamente en uncomponentes de la superficie, a cada nueva línea y resistencia se les asigna un valor de voltaje cada vez más alto. Cualquier daño al componente, como el desgaste o la abrasión causado por la fricción de las partes móviles, se cortaría en una o más de las líneas, rompiendo el circuito enesa etapa. Cuantas más líneas se rompan, mayor será el daño. Las lecturas de voltaje en tiempo real permiten a los ingenieros evaluar el daño potencial y el desgaste de un componente sin tener que desarmar una máquina completa.
Para tener una mejor idea de cómo podrían usarse estos microsensores, imagínelos incrustados en el revestimiento cerámico de una pala de ventilador de turbina de motor a reacción. Estas palas están sujetas a enormes fuerzas físicas y calor. Una grieta microscópica en el revestimiento protectorpodría ser catastrófico para el rendimiento de la cuchilla, pero invisible a simple vista. Con los sensores integrados, los mecánicos serían alertados de cualquier daño de la cuchilla de inmediato para que pueda abordarse.
"Esto cambia la forma en que vemos la fabricación", dice Sameh Dardona, Director Asociado de Investigación e Innovación en UTRC, que sirve como motor de innovación para United Technologies Corp. "Ahora podemos integrar funciones en componentes para hacerlos más inteligentes. Estos sensores pueden detectar cualquier tipo de desgaste, incluso corrosión, e informar esa información al usuario final. Esto nos ayuda a mejorar el rendimiento, evitar fallas y ahorrar costos ".
El equipo de UConn-UTRC pudo integrar líneas de sensores que tenían solo 15 micras de ancho y 50 micras de distancia. Eso es mucho más delgado que un cabello humano promedio, que es de aproximadamente 100 micras. Esto permite la detección de daños muy pequeños.
Desarrollar un sensor tan preciso no es fácil. El Profesor Asociado de Ingeniería Química y Biomolecular de UConn, Anson Ma y un estudiante de doctorado del Laboratorio de Fluidos Complejos de Ma, Alan Shen, midieron y optimizaron las propiedades de flujo de la tinta infundida con platapara que las líneas del tamaño de micras se puedan depositar de manera confiable sin obstruir la boquilla o causar una extensión sustancial después de la deposición.
Dardona de UTRC ha solicitado una patente para la tecnología integrada de sensores de desgaste.
Los científicos también utilizaron tecnología de escritura directa para crear componentes novedosos que tienen recubrimientos magnéticos o material magnético incrustado dentro de ellos. Estos imanes unidos con polímeros son capaces de adaptarse a cualquier variedad de formas y eliminar la necesidad de alojamientos separados en máquinas que requieren dispositivos magnéticospartes.
"Esto abre muchas oportunidades emocionantes", dice Ma. "Imagine imanes que pueden adoptar diferentes formas y encajar perfectamente entre otros componentes funcionales. Además, el campo magnético resultante que se crea puede manipularse y optimizarse aún más cambiandola forma de los imanes "
El método de fabricación de imanes desarrollado por UConn y UTRC también mejora significativamente las prácticas de fabricación existentes de otras maneras. Los métodos actuales para crear imanes personalizados impresos en 3D se basan en el curado a alta temperatura, lo que desafortunadamente reduce las propiedades magnéticas de un material como resultado.Los científicos de UConn y UTRC encontraron una solución a este problema utilizando la luz ultravioleta de baja temperatura para curar los imanes, de forma similar a cómo un dentista usa la luz ultravioleta para endurecer un relleno. Los imanes resultantes mostraron un rendimiento significativamente mejor que los imanes creados por otros fabricantes de aditivos.métodos.
Los imanes tienen una amplia gama de aplicaciones industriales, desde la creación de corrientes eléctricas en alternadores hasta el seguimiento de la posición o la velocidad de las piezas móviles como sensores de alta calidad. La incorporación de material magnético directamente en los componentes podría conducir a nuevos diseños de productos que son más aerodinámicos, más livianosy eficiente, dice Dardona.
"Este es un gran ejemplo de colaboración entre la investigación industrial y la investigación académica", dice. "Siempre tenemos nuevos conceptos que nos gustaría explorar. Esta colaboración nos permitió aprovechar el conocimiento, la experiencia y las instalaciones disponibles enUConn para ayudarnos a abordar algunos de estos desafíos tecnológicos "
La colaboración también beneficia a UConn. Shen, el estudiante de doctorado en el laboratorio de Ma, se desempeñó como investigador principal en los dos proyectos, desarrollando, probando y volviendo a probar la nueva tecnología en los últimos tres años.
"Este tipo de colaboraciones nos permite ayudar a compañías como UTC a desarrollar nuevas tecnologías que sabemos que llevarán al siguiente nivel", dice Ma. "También es muy gratificante para nuestros estudiantes. Los estudiantes involucrados en estos proyectos son completamenteintegrado en el equipo de investigación. No solo es excelente desde la perspectiva del desarrollo de la fuerza laboral, sino que también brinda a los estudiantes la oportunidad de trabajar estrechamente con ingenieros profesionales en una hermosa instalación como UTRC ".
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Materiales proporcionado por Universidad de Connecticut . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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