Mikroczujniki do zastosowań w ekstremalnych warunkach

Mikroczujniki do zastosowań w ekstremalnych warunkach

Inżynierowie z Uniwersytetu Wisconsin-Madison opracowali nową metodę produkcji „pakietów” miniaturowych czujników mierzących bardzo precyzyjnie temperaturę w ekstremalnych warunkach, jakie panują w niektórych procesach produkcyjnych. Umieszczone w dyskretny sposób w krytycznych lokalizacjach te termoelementy w postaci mikrocienkiej błony zaimplementowanej w metalu będą bardziej efektywnie monitorować i diagnozować problemy zdarzające się podczas procesów produkcyjnych takich jak formowanie wtryskowe czy odlewanie ciśnieniowe.

Monitorowanie i kontrola temperatury jest krytyczna dla wielu urządzeń, włączając w to przemysł produkcyjny, samochodowy, aerokosmiczny i aeronautyczny. Czujniki wykrywają i rozwiązują problemy występujące w tych środowiskach, przyczyniając się do zmniejszenia wskaźnika uszkodzeń narzędzi, skrócenie czasu zatrzymania maszyn potrzebnego do serwisu i napraw oraz zmniejszenie zapotrzebowania na energię – powiedział biorący udział w projekcie Xiaochun Li.

W samych Stanach Zjednoczonych podczas procesów ciągłego odlewania produkuje się ponad 100 mln ton stali każdego roku i większość problemów jakie zdarzają się podczas procesów produkcji powstaje w trakcie początkowej fazy krzepnięcia menisku, lub pomiędzy górną powierzchnią stali a odlewem. Wyższy i bardziej zróżnicowany menisk prowadzi do większej ilości defektów, podczas gdy naprężenia termiczne mogą doprowadzić do pęknięć w strukturze odlewu w menisku.

Li twierdzi, że bezpośrednie pomiary temperatury i naprężeń w warstwie pokrywającej odlew mogłyby w znaczący sposób poprawić znajomość czynników które wpływają na cykl życia odlewu. Ma to przynieść wymierne korzyści – nawet niewielkie ulepszenie procesu produkcyjnego, np. takie które kosztuje 10 dolarów na tonę może dać oszczędności rzędu 1 mld dolarów rocznie.

Li jest jednym z grupy badaczy, którzy zbudowali układ powiązanych ze sobą mikrocienkich błon czujnikowych zatopionych w metalu, odpornych na procesy utleniania, korozji chemicznej, skażenia i innych szkodliwych czynników.

Obecnie stosowane w przemyśle produkcyjnym urządzenia mierzące temperaturę to pakiety termoelementów, które zajmują dużo miejsca i są uciążliwe z punktu widzenia możliwości wystąpienia kolizji podczas trwania procesu maszynowego. Często umieszczone są w miejscach, gdzie nie jest możliwy precyzyjny odczyt temperatury. Dodatkowo te konwencjonalne termoelementy mają stosunkowo wolną odpowiedź w warunkach szybko zmieniającej się temperatury.

Bardzo dobrą alternatywą mają być dla nich cienkie błony termoczułe o grubości rzędu 100 nanometrów. Dzięki swoim rozmiarom mogą być umieszczone praktycznie w dowolnym procesie produkcyjnych, bez wpływu na kolizyjność i problemy zakłócania pracy. Poza tym ich małe rozmiary pozwalają szybko reagować na nagłe zmiany temperatury, do czego nie były zdolne tradycyjne makroczujniki – przekonuje Li.

Ponieważ te nowoczesne mikroczujniki ze względu na umieszczanie ich w samych środku procesów produkcyjnych były bardzo podatne na przedwczesne uszkodzenia i zniszczenia. Badacze znaleźli jednak na to sposób, zatapiając je w płytce niklu.

Ponieważ mikroczujniki mogą być umieszczane w krytycznych dla procesu maszynowego lokalizacjach, nieosiągalnych dla zwykłych systemów czujnikowych, rodzą się ogromne możliwości zwiększenia monitoringu i kontroli procesów, co ma bezpośredni wpływ na wymierne korzyści płynące z ich zastosowania.

Badacze chcą rozszerzyć możliwości wykorzystania ich wynalazku także w innych dziedzinach, takich jak np. nanotechnologia.

(lz)