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、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程)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創(chuàng)建物理部件的數(shù)字孿生。

Zarzoso解釋說：“它們被稱為數(shù)字孿生，因?yàn)樗鼈兪欠浅＞�確的數(shù)字模型，會在整個(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，如果您在飛行過程中受到冰雹的影響，則該傳感器會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 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)出問題信號，以及對組件進(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。研究人員可以開發(fā)協(xié)議來尋找即將發(fā)生故障的明顯跡象或在面對不同事件時(shí)進(jìn)行特定監(jiān)控。飛行中的故障知識甚至可能讓機(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。對于金屬材料，可以使用像Fabrisonic的超聲波AM技術(shù)來集成傳感器，它在打印物體過程中不使用熱量，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。

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