瑞特三维｜3D打印制备裂纹监测传感器案例

飞机结构安全是保证飞机安全可靠飞行的前提和基础。疲劳裂纹产生后若没有被及时发现及修理，将最终导致结构的破坏，严重威胁飞行安全。为了应对安全可靠性的新挑战，结构健康监测技术逐渐发展并应用到飞机等高可靠性设备的使用维护中，其在保证结构安全的同时，降低了维护成本，提高了经济性。疲劳裂纹定量监测传感器是结构健康监测系统的重要组成部分，研发易于同结构集成、灵敏度高，能够在苛刻环境可靠服役工作的传感器是基于结构健康监测技术损伤容限设计研究的重点。

结构健康监测(SHM)技术是通过在结构上布置各种类型的传感器来实时感知结构的状态，例如温度、应力、缺陷等，然后通过对传感器数据的处理、识别和判断来诊断结构的健康状态。目前，国内外应用于飞机结构裂纹监测的主要手段有：压电薄膜传感器、声发射技术、相对真空传感器、光纤传感器、涡流传感器等。当前基于电位法的传感器存在2个显著问题亟需解决：①绘制一条参考曲线将传感器的裂纹电位变化与裂纹长度准确联系起来；②多数传感器与被监测结构结合性能较差，难以实现长时间监测。

文章《基于格栅式薄膜传感器的金属结构裂纹监测》提出了一种用于飞机金属结构孔边裂纹定量监测的格栅式薄膜传感器。其采用铝合金表面进行阳极氧化处理后，进行离子蒸镀或溅射制备铜电极层，通过输入额定电流，测试对应的端部电压来判断裂纹的扩展数据。

图 栅格式裂纹传感器

而电子3D打印技术为裂纹传感器的制备提供了更为简便的实现方案，通过打印方式可以代替原有复杂的蒸镀和溅射工艺，且打印适用的材料范围更广。为了让裂纹传感获得更佳的灵敏度，可以在栅格上连通导线上串联打印电阻，通过检测端部电阻的变化，而获取裂纹的扩展位置。此外该制备电极的方式具有极大的灵活性，对于导电金属构件可以采用打印方式制备任意局部区域绝缘层，且制备的裂纹传感器不需要预先标定，可以通过随形打印方式可实现传感器任意位置的布置。下文为西安瑞特三维科技有限公司通过微笔直写工艺在PEEK基材孔周围制备的裂纹传感器，其中金属导线采用的为银电极，电阻器件则为打印碳浆制备的碳膜电阻，通过破坏每一级线圈，其端部的并联电阻会阶梯式增大，从而可以达到对于裂纹扩展距离的监测。