In den 3D-Großformatdruck integrierte Glasfasersensoren: die Forschung des ERDC
Die Forscher der U.S. Army ERDC haben gezeigt, dass es möglich ist, faseroptische Dehnungssensoren während der additiven Fertigung im Großformat zu integrieren, ohne den grundlegenden Druckprozess zu verändern.
Integrierte Überwachung für großformatige Komponenten
Die Forschung untersucht, wie Sensoren direkt während des LFAM-Drucks integriert werden können, wodurch die Notwendigkeit regelmäßiger Inspektionen oder nachträglicher Installationen entfällt.
Der von der ERDC entwickelte Ansatz konzentriert sich auf die strukturelle Gesundheitsüberwachung für großformatige Polymerkomponenten für die zivile Infrastruktur. Anstatt eine Struktur regelmäßig zu inspizieren oder Sensoren nach der Produktion anzubringen, wird der Sensorpfad direkt in die Komponente gedruckt.
Diese Lösung passt sich natürlich an die Large Format Additive Manufacturing (LFAM) an, bei der ein großer Extrusionsstrang Schicht für Schicht abgelegt wird.
- 155-Mikrometer-Glasfasersensoren, die während des LFAM-Drucks eingebettet werden
- Kontinuierliche Dehnungsüberwachung mit einer Auflösung von 0,65 mm
- Gezielte Anwendung auf zivile Polymerinfrastruktur
- Keine Änderung des Standarddruckprozesses erforderlich
Das experimentelle Protokoll
Das Team testete die Integration an verstärkten PLA-Proben, indem es die Sensoren manuell zwischen den Druckschichten positionierte.
Die Forscher verwendeten ein containerisiertes LFAM-System, das mit einem Strangpress-Extruder 19 ausgestattet war. Sie druckten 20 kurze Teststäbe aus mit Kohlefaser verstärktem PLA von 3DXTech.
Jeder Stab wurde mit drei Durchgängen des Extruders hergestellt, 15 mm breit und 5 mm hoch, was Proben von 15 x 45 x 160 mm ergab. Bei den instrumentierten Versionen legten die Bediener manuell einen faseroptischen Sensor von Luna mit einem Durchmesser von 155 Mikrometern auf die mittlere Raupe nach der ersten Schicht.
Die zweite Schicht wurde dann bei 200°C über den Sensor gedruckt.
Verteilte Dehnungsmessung
Das verwendete Abfragesystem ermöglicht die kontinuierliche Messung der Dehnung entlang der gesamten Faser, nicht nur an diskreten Punkten.
Der Sensor wurde an einen Luna ODiSI 7100 Abfragegerät angeschlossen, das Rayleigh-Rückstreuung verwendet, um die Dehnung kontinuierlich entlang der Faser zu messen. Die Forscher konfigurierten es mit einer Auflösung von 0,65 mm und einer Abtastrate von 31,25 Hz pro Port.
Eine ausreichend lange eingebettete Faser könnte potenziell aufdecken, wo sich eine Dehnungskonzentration innerhalb einer großen gedruckten Struktur entwickelt. Dies ist viel nützlicher, als einfach die Belastung eines gesamten Trägers oder Panels zu bestätigen.
| Parameter | Wert |
|---|---|
| Durchmesser der optischen Faser | 155 Mikrometer |
| Messauflösung | 0,65 mm |
| Abtastfrequenz | 31,25 Hz |
| Drucktemperatur | 200°C |
Ergebnisse der Ermüdungstests
Während zehn weggesteuerter Ermüdungszyklen verfolgten die Fasernsignale genau den Verlauf der von der Kraftmessdose gemessenen Spannung.
Spitzen, Täler und Übergänge traten an den richtigen Stellen bei allen drei verwendbaren Probekörpern auf. Für die Überwachung von Lastereignissen und der akkumulierten Nutzung sind diese qualitativen Daten recht ermutigend.
Der Sensor zeichnete auch hohe scheinbare Dehnungswerte auf, unmittelbar nachdem er vom heißen Material eingekapselt wurde. Diese überschritten etwa 15.000 Mikrodehnungen, die Grenze des Instruments, und wurden der thermischen Ausdehnung und den Änderungen des Brechungsindex während des Abkühlens zugeschrieben.
Obwohl diese Antwort nicht als quantitatives Maß für die Dehnung verwendet wurde, deutet sie darauf hin, dass dieselbe Installation neben der späteren Betriebsbelastung auch das Abkühlverhalten während der Produktion beobachten könnte.
Die Herausforderung der Haftqualität
Die Röntgencomputertomographie zeigte ein kritisches Problem: Nur 58,2% der Faseroberfläche stehen in Kontakt mit dem Polymer.
Die Röntgencomputertomographie an einem Probekörper mit eingebettetem Sensor ergab nur 58,2% Polymerkontakt um die Faseroberfläche. Diese Haftungslücke stellt die unmittelbare Herausforderung dar, die für die Zuverlässigkeit des Systems gelöst werden muss.
Diese Daten zeigen, dass trotz der vielversprechenden Ergebnisse bei der Dehnungsverfolgung noch Arbeit zu leisten ist, um die physische Integration zwischen Sensor und gedrucktem Material zu optimieren. Die Haftqualität beeinflusst direkt die Fähigkeit des Sensors, strukturelle Dehnungen genau zu erfassen.
Perspektiven für die Infrastruktur
Die Forschung des ERDC eröffnet konkrete Perspektiven für die kontinuierliche Überwachung von 3D-gedruckten Strukturkomponenten. Die Fähigkeit, Deformationskonzentrationen in großen Strukturen zu erkennen, könnte die vorausschauende Wartung der zivilen Infrastruktur erheblich verbessern.
Der nächste Schritt wird sein, die Qualität der Haftung zwischen Faser und Material zu verbessern, um zuverlässigere und langlebigere Messungen zu gewährleisten.
articolo scritto con l'ausilio di sistemi di intelligenza artificiale
Fragen & Antworten
Was ist das Hauptziel der ERDC-Forschung zum LFAM-Druck?
Ziel ist die Integration von faseroptischen Dehnungssensoren direkt während der großformatigen additiven Fertigung. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Strukturüberwachung ziviler Infrastrukturen aus Polymer ohne Notwendigkeit periodischer Inspektionen oder nachträglicher Installationen.
Wie werden faseroptische Sensoren in den Druckprozess integriert?
Die 155-Mikrometer-Sensoren werden manuell entlang der mittleren Raupe nach Ablage der ersten Schicht platziert. Anschließend wird die zweite Schicht bei 200 °C über den Sensor gedruckt, ohne den Standarddruckprozess zu modifizieren.
Welches Material und welches Extrusionssystem wurden in den experimentellen Tests verwendet?
Die Forscher nutzten ein LFAM-System mit Strangpress-19-Extruder, um Proben aus mit Kohlefaser verstärktem PLA von 3DXTech zu drucken. Es wurden 20 Prüfstäbe mit spezifischen Abmessungen hergestellt, um die Sensorintegration zu validieren.
Welche Art von Daten erfasst das Luna ODiSI 7100-Abfragesystem?
Das System nutzt Rayleigh-Rückstreuung, um die Dehnung kontinuierlich entlang der gesamten faseroptischen Faser zu messen, nicht nur an diskreten Punkten. Es ist für eine Auflösung von 0,65 mm und eine Abtastfrequenz von 31,25 Hz konfiguriert.
Für welche Anwendungen ist diese Technologie integrierter Sensoren besonders geeignet?
Die Lösung zielt speziell auf die Überwachung der strukturellen Gesundheit großer Polymerkomponenten für zivile Infrastrukturen ab. Die Technologie eliminiert die Notwendigkeit, Sensoren nach der Bauteilproduktion extern aufzubringen.
