传感器在整个工业中广泛使用，以检测和响应外部刺激。不幸的是，传统的制造过程通常决定传感器远离刺激。但新的3D打印过程允许传感器嵌入金属结构中的任何位置，这提供了多种优点：
-更高的保护-传感器在恶劣环境下工作的一个常见问题是辐射暴露、腐蚀、冲击、磨损等。理想情况下，最好将传感器埋在固体金属衬底中以提供保护。然而，由于密封的复杂性和较高的加工温度，使用传统制造技术通常很难做到这一点。
-更高的性能-目前使用的大多数传感器都附加在设备的外围，限制了信号强度和响应时间。金属的制造过程，如铸造、切割和焊接，都是在高温下进行的，因此力传感器是最终结构的附加组件。将传感器嵌入金属，可以将传感器放置在测量和控制的理想位置，从而带来性能更高的产品。
- 设计自由 - 金属3D打印正在改变来自手机的产品的设计范式到喷气发动机。低温金属3D打印使电子和必要的接线能够放置在结构中的任何位置。随着部件在打印机中生长，可以通过整个大结构中心的迂回路线放置接线。这使得设计人员自由地定位结构，传感器和接线，在最佳位置，不适用于施工的最佳位置。
通过声音3D打印金属:如何工作
超声波增材制造(UAM)是一种3D金属打印技术，可以让您在任何设计[2]的金属部件中嵌入电子和传感器。该工艺使用超声波将金属箔层在固态状态下合并在一起;金属没有熔化。该过程产生真正的冶金键全密度和工作与多种金属，包括铝，铜，不锈钢，钛，和更多。
多种金属与该过程兼容，因为高温化学是最小的并且避免凝固。CNC加工与箔层互换使用，以引入沿途的内部特征和部分精加工。通过组合混合系统，其中存在包括附加和减法过程，UAM可以构建复杂的内部几何形状，认为不可能用常规的减法制造方法复制，例如，具有嵌入式控制的复杂化学反应室[3]。图2详细说明了该过程。
旋转换能器喇叭系统。喇叭位于两个旋转换能器之间。金属胶带由中心滚筒推下来。向下按压辊振动的两个单元，将金属带附近到下层。
UAM工艺：（a）Fabrisonic Soniclayer 7200;（b）加工或超声波焊接阶段的工艺;（c）加工或加工阶段的过程。UAM在正常的气氛中运行。
UAM中添加剂和减法级的组合允许沿着沿途 - 与大多数3D打印技术一起集成到该部件中的组件。与其他3D金属印刷技术相比，与UAM的差异是其低处理温度。当涉及嵌入传感器和电子产品时，这很重要，因为这些材料容易从高温升高。因此，UAM使功能嵌入传感器[4]，电路[5,6]，智能材料[7]和其他温度敏感组件的功能嵌入到完全密集的金属结构中。
通过UAM将传感器和电子集成到金属中
热电偶，压力传感器，USB端口，塑料连接器，加速度计和应变传感器已成功集成到具有UAM的金属部件中。将这些传感器嵌入组件不仅提供保护，还允许测量，这是不可能的部分。
通过通过UAM过程的CNC阶段在结构中制作“袋”或“缝隙”，将用于嵌入传感器或电气分量的一般策略。对于较小的设备，可能不需要此口袋。然后，将该装置放入口袋中以使用添加剂焊接阶段封装。对于某些应用，环氧树脂或另一种介电材料可用于“锅”装置来限制，保护，提供结构支撑，并将其与相邻的金属材料保持在[4]中。合并完成后，将组件加工到最终尺寸并从机器中取出。
应变传感器改善了航空航天工业3D打印应用
光纤布拉格光栅(Fiber optical Bragg grating, FBG)是一种反射特定波长的光并传输其他波长的光纤。通过对折射光的精确测量，这些灵活多变的纤维可以用来测量应变和温度，具有极高的精确度。FBG应变传感器可以内置在铝制部件中，用于精确的内部应变测量[8,9]。内部嵌入能够测量临界应变和潜在损伤，这是使用外部应变传感器是不可能的。周围的材料也通过增加坚固性来保护脆弱的传感器。光学应变传感器的小外形也使对结构的侵入性最小化。换句话说，传感器不会影响部件的设计寿命或性能。这种嵌入式能力对于在航空航天工业中植入结构健康监测策略非常有用。嵌入式FBG应变传感器及其应变剖面如图3所示。内部FBG应变剖面与外部安装的箔片应变关系良好，可承受超过金属屈服强度一半的载荷。
嵌入式光纤应变传感器的性能。嵌入式和外部应变传感器在时间上比较好。
温度传感器从外部测量不可能的热量
HotioCuples也完成了类似的应用[4]。嵌入式热电偶和示例温度响应如上所示。构建热电偶进入部分不仅允许测量从外部测量的温度，但它还允许该技术与部分内部的复杂内部通道的流量测量监测相结合。这种双能力允许更精细的控制和监控。例如，化学反应器通常具有许多输入通道和通过大金属块的交叉的反应流动路径。通过在整个块中嵌入传感器，可以在流路中的关键位置获得控制反馈，允许更好的产品和更高的吞吐量。
如果应用只需要嵌入冷接点，那么冷接点简单地放置在正确的地方，金属层直接焊接在热电偶上。然而，许多客户希望将冷接点深埋在金属部件内。在这种情况下，一个小通道被磨铣以捕获绝缘护套。再次，冷接点将铺设在平面材料，然后金属箔焊接在整个部分。
嵌入式热电偶和来自热板的内部热响应。
用UAM改进设备之间的沟通
将设备嵌入金属的另一个实用性是与金属通信，即提取电线或纤维。类似于口袋，数控平台是用来战略性地给予一个“缓解凹槽”，以方便提取。图5(a)详细说明了USB连接器的口袋和浮雕凹槽。浮雕凹槽也有助于连接器的放置。在巩固完成后，数控阶段是用来去除任何剩余的材料，以暴露连接器。这种材料包括新焊接的金属或初始基体。
嵌入传感器出口策略和示例连接器:(a) USB连接器嵌入;(b)功能USB连接器;(c)塑料连接器。
无线通信或天线应用也可以使用UAM完成。在这种情况下，不需要提取技术，但是口袋必须策略性地设计成不衰减或干扰通信信号。
屏蔽环境并发症的敏感电子器件
嵌入式传感器得益于金属提供的保护。然而，传感器周围的3D打印金属也可以保护传感器免受电磁干扰。例如，已经发现钽可以用于铝部件，以提供辐射防护。由于UAM过程可以在不形成金属间相的情况下产生牢固的金属间键，因此可以打印金属混合物来阻止辐射和其他电磁场。这种屏蔽或包层保护嵌入或封装的电子器件，增加元件寿命，还可以提高电子器件的精度。
Fabrisonic有限责任公司
www.fabrisonic.com.
作者谨此感谢Sheridan的J. Sheridan为他的技术贡献，合作和UAM热情解决方案。J.A的援助和资金。Newman和L. Thompson通过NASA的SBIR计划得到了感谢地承认。
参考文献
| ［1］ | B. STUCKER，J. OBIELODAN，A.锡兰和L.MURR，“超声波固结中的多重材料粘合”，快速原型制成J.，Vol。16，不。3，pp。180-188,2010。 |
| [2] | D. White，“超声强化铝制工具”，Mater.副主编。的过程。号，第161卷。1，页64-65,2003。 |
| [3] | M. Norfolk和H. Johnson，“热交换器的固态添加剂制造”，JOM，Vol。67，没有。3，pp。655-659,2015。 |
| [4] | E. J.Siggard，A. S. Madhusoodanan，B. Stucker和B. Eames，“使用超声波固结（UC）的结构嵌入式电气系统”，第17份固体自由形式制造研讨会，SFF，Austin，TX，美国，2006年。 |
| ［5］ | A. Bournias-Varotsis, R. A. Harris和R. J. Friel，“超声激发对印刷电子导电油墨的电性能和微观结构的影响”，第38届电子技术国际春季研讨会，ISSE，匈牙利埃格尔，2015。 |
| ［6］ | J. Li，T. Monaghan，S. Masurtschak，A.Bournias-Varotsis，R. Friel和R. Harris，“母体源自嵌入式电气材料的瘾地制造的金属结构的机械强度”。SCI。eng。A，Vol。639，pp。474-481,2015。 |
| [7] | M. J.Dapino，“通过超声添加剂制造的智能结构集成”，在Asme Conf中。聪明。，适应。结构。智能。SYST。，SMASIS，Newport，RI，美国，2014年。 |
| [8] | C. E. a。m。MOU，P. Saffari，D. Li，K. Zhou，L. Zhang，R. Soar和I. enaNion，基于铝合金基质嵌入式光纤布拉格光栅阵列的超声波固结，“测量”。SCI。技术。，卷。20，没有。2009年3月3日。 |
| ［9］ | J. J. Schomer，A.J.Hehr和M.J.Dapino，“嵌入式光纤应变传感器的表征通过超声添加剂制造业的金属结构，”在Spie的诉讼程序中 - 国际光学工程学会，拉斯维加斯，NV，美国，2016年。 |
提交：快速制作零件
