使用選擇性激光熔化的嵌入傳感器用于自我認知的金屬部件

供稿人:劉亮杰 魯中良
供稿單位：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

利用傳感器或集成電路(ICs)實現(xiàn)雙向通信的智能系統(tǒng)的進步，有望引領(lǐng)第四次工業(yè)革 命中智能制造業(yè)的快速發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)在智能行業(yè)和智能生活中引起了相當大的關(guān)注，因為它能夠遠程訪問監(jiān)控系統(tǒng)的特定狀態(tài)。實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵是在每個單獨的系統(tǒng)中附加或插入定制的傳感器。在這方面，已經(jīng)開發(fā)出許多嵌入或組裝成聚合物部件或有機系統(tǒng)的高功能傳感器。但是，這些嵌入式傳感器的許多應用都只集中在塑料部件上。直接將傳感器或電路嵌入金屬零件仍有一定的局限性。

韓國材料科學研究所等人通過選擇性激光熔化(SLM)工藝將傳感器或集成電路(IC)芯片嵌入到金屬元件中。在激光掃描過程中引入保護層的概念來制造所有零件而不損壞傳感器。通過對激光熱影響的計算分析，分析了傳感器在零件中的工作情況。在嵌入傳感器后，盡管經(jīng)過間歇性的SLM過程，所制造的金屬零件仍顯示出連續(xù)的微結(jié)構(gòu)，包括晶粒和相。

圖1. 傳感器嵌入選擇性激光熔化(SE-SLM)原理圖。(a) 間歇式SLM工藝的零部件設(shè)計與加工 (b) SE-SLM過程的三個主要步驟和細節(jié)。
所提出的傳感器嵌入選擇性激光熔化(SE-SLM)過程的原理圖如圖1所示。第一步:使用第一次SLM部件設(shè)計將部件打印到傳感器嵌入位置的高度。第二步:去除打印區(qū)域內(nèi)用于嵌入的粉末，并用所需的傳感器或集成電路元件替換。在這個階段，打印空間的頂部被預先制備的保護層覆蓋。嵌入保護層后，零件的頂面應平整，以便在接下來的步驟中擴散和熔化粉末。第三步:根據(jù)第二次SLM零件設(shè)計制作剩余部分。

圖2. 用SE-SLM制作SUS316L樣品的表征。(a)采用SE-SLM技術(shù)設(shè)計SUS316L立方試件。(b) SE-SLM試樣和SLM試樣的拉伸性能比較。(c)界面區(qū)域用光學顯微鏡可視化(標尺:400um(左)，100um(右))。(d)掃描電子顯微鏡(SEM)顯示界面區(qū)域(標尺:20um(左)，5um(右))
圖2（b）表明：使用SE-SLM制作的拉伸試樣略高屈服強度略高于常規(guī)SLM樣本,而SE-SLM標本的極限抗拉強度略低于SLM的標本。圖2(c)光鏡圖像表明，未觀察到主要的SLM缺陷，如氣孔或未熔粉。在圖2(d)的SEM圖像中，在界面區(qū)發(fā)現(xiàn)了不連續(xù)的柱狀組織，這可能導致延伸率低于正常SLM過程中自然柱狀組織。但在高倍放大圖像中，界面區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)亞微米氣孔或缺陷。

圖3.嵌入金屬中的PCB-IC元件。(a)從金屬元件內(nèi)嵌的IC元件讀取數(shù)據(jù)的裝置。(b)嵌入式鉻鎳鐵合金718渦輪葉片IC元件。(c)通過藍牙連接遠程無線監(jiān)測渦輪葉片溫度。(d)-(f)記錄每個軸振動輸入的加速度數(shù)據(jù)((d)x軸，(e)y軸，(f)z軸)。
圖3表明了從金屬元件內(nèi)嵌的IC元件讀取的數(shù)據(jù)。在文章的結(jié)語部分，作者總結(jié)：“這些由集成傳感器的金屬組件生成的實時大數(shù)據(jù)，可以有效地用于基于數(shù)字雙驅(qū)動金屬的機械系統(tǒng)，或用于深度學習算法對系統(tǒng)狀態(tài)的預測。

參考文獻：
Im Doo Jung, Min Sik Lee,Jungsub Lee,et al.Embedding sensors using selective laser melting for self-cognitive metal parts[J].Additive Manufacturing,2020.