3D打印飛機(jī)傳感器：飛行更安全、更經(jīng)濟(jì)

2022年9月，南極熊獲悉，位于馬德里的IMDEA材料研究所正在開(kāi)發(fā)新的嵌入式傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控飛行中的飛機(jī)。為了使其達(dá)到最優(yōu)的性能，發(fā)揮最好的功能，研究人員選擇了3D打印技術(shù)進(jìn)行制造。由于這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特性，人類可以實(shí)現(xiàn)更安全地飛行，因?yàn)?D打印的傳感器具有更好的預(yù)測(cè)性以及維護(hù)性，能夠在發(fā)生毀滅性墜機(jī)之前通知維護(hù)人員問(wèn)題的能力。



3D打印飛機(jī)傳感器
這項(xiàng)工作被稱為“用于改進(jìn)下一代多功能機(jī)身零件制造的數(shù)字方法 (DOMMINIO) ”項(xiàng)目，由 Horizo​​n 2020 研究計(jì)劃資助。IMDEA團(tuán)隊(duì)3D打印了具有嵌入碳納米管纖維的零件。碳納米管的壓阻特性可用于生成相關(guān)數(shù)據(jù)并用于監(jiān)控零件。



增材制造 (AM) 可以降低組裝成本，同時(shí)減少將傳感器連接在一起所需的大量電線。據(jù)統(tǒng)計(jì)飛機(jī)上有70到300英里長(zhǎng)的電線，大約需要有100到400根線束將傳感器固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，所以減少電線的連接是必要的，并且具有一定的經(jīng)濟(jì)性。3D打印的傳感器也很輕，消耗的能量也相對(duì)較少。

IMDEA 材料研究員 Moisés Zarzoso 指出：“傳感器材料選用纖維，與現(xiàn)有材料相比，這些纖維非常輕，而且消耗的能量也非常少。它們也是可3D打印的，很容易地嵌入到由傳統(tǒng)碳纖維制成的部件中，要知道，碳纖維是飛機(jī)生產(chǎn)中非常常見(jiàn)的材料。”

從傳感器到數(shù)字孿生



該項(xiàng)目的關(guān)鍵是使用數(shù)字孿生(是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過(guò)程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程)創(chuàng)建了飛機(jī)模擬模型。IMDEA 是這一領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者，它使用從嵌入式傳感器收集的信息來(lái)創(chuàng)建物理部件的數(shù)字孿生。

Zarzoso解釋說(shuō)：“它們被稱為數(shù)字孿生，因?yàn)樗鼈兪欠浅＞_的數(shù)字模型，會(huì)在整個(gè)生命周期內(nèi)更新，實(shí)時(shí)復(fù)制飛機(jī)內(nèi)的物理部件或組件。通過(guò)其嵌入式傳感器，物理部分能夠直接與地面工程師進(jìn)行通信。例如，如果您在飛行過(guò)程中受到冰雹的影響，則該傳感器會(huì)記錄與部件可能損壞有關(guān)的信息，然后自動(dòng)發(fā)送到其數(shù)字孿生體。使用這些信息，我們正在開(kāi)發(fā)的模擬將能夠分析潛在影響可能導(dǎo)致組件結(jié)構(gòu)完整性的風(fēng)險(xiǎn)，并確定其剩余壽命。”

通過(guò) 3D 打印智能傳感器改善飛機(jī)維護(hù)

借助這項(xiàng)技術(shù)，航空公司不僅可以更安全地飛行，而且還可以通過(guò)多種方式節(jié)省成本，包括：更準(zhǔn)確的維護(hù)間隔、在導(dǎo)致航班延誤之前發(fā)出問(wèn)題信號(hào)，以及對(duì)組件進(jìn)行監(jiān)控和分析。實(shí)時(shí)監(jiān)控可以以一種全新的方式查看由傳感器驅(qū)動(dòng)的飛機(jī)維護(hù)，而不是當(dāng)今使用的時(shí)間表驅(qū)動(dòng)的方法。

基于事件的信號(hào)可能成為機(jī)身和飛機(jī)組件監(jiān)控的重要組成部分。研究人員可以開(kāi)發(fā)協(xié)議來(lái)尋找即將發(fā)生故障的明顯跡象或在面對(duì)不同事件時(shí)進(jìn)行特定監(jiān)控。飛行中的故障知識(shí)甚至可能讓機(jī)組人員搶先著陸飛機(jī)，從而縮短可能因關(guān)鍵部件故障而在數(shù)小時(shí)后墜毀的航班。

飛機(jī)上的很多部件現(xiàn)在都是 3D 打印的復(fù)合材料。在使用機(jī)械臂制造組件的同時(shí)嵌入碳納米管似乎很適合整個(gè)工作流程。對(duì)于金屬材料，可以使用像Fabrisonic的超聲波AM技術(shù)來(lái)集成傳感器，它在打印物體過(guò)程中不使用熱量，保證了傳感器的制造成功率。許多納米打印公司還可以提供用于應(yīng)變、振動(dòng)、壓力或更多的3D打印傳感器組件。

顯而易見(jiàn)的是，嵌入式傳感器對(duì)于高價(jià)值和關(guān)鍵的物體或過(guò)程有意義，例如水壩或飛機(jī)。對(duì)于這些類型的對(duì)象，3D 打印可以提供一種成本有效的途徑來(lái)制造集成傳感器包并將它們嵌入我們的世界。