Los científicos en el United Technologies Research Center (UTRC) y la Universidad de Connecticut tienen sensores "inteligentes" desarrollados diseñado para integrarse en las partes de la máquina y alertar a los usuarios sobre daños o desgaste mínimos.

Los sensores se crean utilizando un método avanzado de impresión 3D llamado tecnología de escritura directa.

Por lo general, la impresión 3D, también conocida como fabricación aditiva, implica el uso de láseres para fusionar capas de un polvo metálico fino en un objeto sólido. Con la tecnología de escritura directa, un material similar a una pasta sale de una boquilla, como la tinta de una pluma, y ​​se puede aplicar a varios materiales de sustrato.

"La tecnología de escritura directa es capaz de depositar trazas finas de materiales conductivos, semiconductores, aislantes, resistivos o magnéticos sobre superficies 3D", dijo Sameh Dardona, director asociado de investigación e innovación en la UTRC e investigador principal del proyecto.

“La tecnología afectará la forma en que fabricamos e integramos sensores en los productos, ya que nos permite depositar directamente los materiales de detección en las superficies sin la necesidad de carcasas, sustratos o soportes”.

Tanto el método de escritura directa como los componentes del sensor inteligente se desarrollaron en el laboratorio de escritura directa de UTRC.

El método

Con la tecnología de escritura directa, los investigadores pueden integrar líneas minúsculas de filamento conductor de plata (solo 15 micras de ancho y 50 micras separadas, más delgadas que el cabello humano promedio) en una máquina mientras se construye.

Como una cuerda que se enrosca en una prenda de vestir, los pequeños sensores están entrelazados en toda la máquina. Pueden detectar daños por un minuto en áreas a las que normalmente no pueden llegar los sensores, alertando a los usuarios de daños antes de que puedan causar problemas graves.

"La belleza de este método es que los patrones se depositan directamente en los componentes existentes de la máquina, lo que permite una integración perfecta de la funcionalidad de detección en la maquinaria existente", dijo Anson Ma, profesor asociado de ingeniería química y biomolecular en UConn, que trabajó en el proyecto.

Las líneas de filamento de plata están organizadas en líneas paralelas, cada una acoplada con una pequeña resistencia impresa en 3D. El filamento de plata es capaz de conducir electricidad, de modo que cuando se aplica un voltaje, las líneas paralelas interconectadas forman un circuito eléctrico.

"A medida que se produce desgaste, parte de estas piezas se dañan, lo que resulta en un cambio en la señal eléctrica", dijo Ma. "Esta estrategia abre la posibilidad de detectar el desgaste sin desarmar la maquinaria durante las operaciones normales, lo que mejora la seguridad y minimiza el tiempo de inactividad de la máquina".

Cuando el componente está dañado, el circuito eléctrico está roto. Por lo tanto, los daños se pueden detectar de forma remota y en tiempo real mediante la lectura de los niveles de tensión.

Aplicaciones

Los microsensores podrían integrarse, por ejemplo, en revestimientos de cerámica y de polímero de álabes de ventilador de turbina de motor a reacción, que están consistentemente sujetos a una presión y calor inmensos.

El daño microscópico, como una grieta en el recubrimiento protector, podría tener un impacto significativo en la función del componente, pero podría ser literalmente invisible a simple vista. Sin embargo, los sensores integrados permitirían a los mecánicos rastrear hasta el daño más minúsculo a medida que ocurre y repararlo antes de que puedan crear un daño más significativo.

Los sensores podrían integrarse en cualquier tecnología que involucre piezas móviles y está sujeta a desgaste.

"Esto cambia la forma en que vemos la fabricación", dijo Dardona en un comunicado. "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 ".

Dardona prevé que estos sensores se utilicen en máquinas aeroespaciales, automotrices e industriales, industrias en las que es necesario monitorear con precisión el estado de los componentes de la máquina en tiempo real.

La tecnología de escritura directa también se puede usar para crear más que solo sensores. El equipo utilizó el mismo proceso para crear componentes únicos de la máquina que tienen recubrimientos magnéticos o material magnético incrustado en ellos.

Desarrollaron una tinta magnética unida a polímeros que se puede moldear en formas arbitrarias e inusuales, lo que permite la creación de componentes magnéticos inusuales.

"Para la fabricación de imanes, hemos formulado una tinta funcional que contiene partículas magnéticas y fotopolímero, que se solidifica con la exposición a la luz UV", dijo Ma.

“Primero colocamos algunas tintas siguiendo un patrón deseado usando el método de escritura directa, y luego aplicamos UV para solidificar (parcialmente) esa capa. Repetimos el proceso para crear un objeto 3D con formas arbitrarias tal como se diseñó en el archivo digital.

"La clave es controlar las propiedades de flujo de la tinta de modo que la tinta depositada retenga la forma hasta que se produzca la solidificación inducida por UV".

Ma cree que esta tecnología de imán tiene una amplia gama de aplicaciones industriales.

"Los imanes se pueden usar para crear una corriente eléctrica en un generador o alternador, mejorar el rendimiento de los dispositivos electromagnéticos como los inductores y rastrear la velocidad o la posición de un pistón en movimiento o un eje giratorio", dijo.

Una vez que esta tecnología esté en manos de diseñadores e ingenieros, no se sabe cuántas aplicaciones podría tener.

En una declaración, Dardona señaló que la incorporación de material magnético directamente en los componentes podría conducir a diseños de productos visionarios que son más aerodinámicos, más ligeros y eficientes.

"Los imanes impresos tendrán aplicaciones en la detección y la actuación", dijo Dardona. “El proceso de impresión puede fabricar diseños de imán que no son posibles utilizando las técnicas de sustracción o de mecanizado existentes”.

Dardona ha solicitado una patentar para la tecnología del sensor

La colaboración es clave

Tanto Dardona como Ma enfatizaron que la colaboración entre UTRC y UConn ha sido muy productiva, y que el proyecto no podría haber sido completado sin las contribuciones únicas de ambas partes.

El proyecto fue financiado y administrado por el equipo de Dardona en UTRC. Dardona dijo que la relación con UConn se formó debido a la experiencia única de la universidad en reología y formulación de tinta.

"Esta ha sido una colaboración extremadamente fructífera entre la universidad (academia) y la industria", dijo Ma.

"Nuestro grupo de investigación universitario se centra en la comprensión fundamental y la formulación de tintas funcionales con propiedades adecuadas para la impresión de alta fidelidad, mientras que nuestro socio industrial (UTRC) está liderando el diseño del sensor y aplicando esta tecnología para abordar importantes desafíos técnicos relacionados con el sensor de desgaste y el imán. aplicaciones ".

Tales colaboraciones también brindan a los estudiantes una oportunidad única de obtener experiencia de investigación en el mundo real.

Como parte de la colaboración, Alan Shen, un estudiante de doctorado en UConn, se integró en el equipo de investigación de Dardona. Como investigador principal en ambos proyectos, ayudó en el desarrollo, prueba y reevaluación de estas nuevas tecnologías durante los últimos tres años.

"También es muy gratificante para nuestros estudiantes", dijo Ma en un comunicado.

“Los estudiantes que participan en estos proyectos están completamente integrados en el equipo de investigación. No solo es excelente desde la perspectiva del desarrollo de la fuerza laboral; también les brinda a los estudiantes la oportunidad de trabajar en estrecha colaboración con ingenieros profesionales en instalaciones hermosas como UTRC ".