Представьте себе, что вы можете построить целый аппарат для диализа, используя только 3D-принтер.
Это могло бы не только снизить затраты и устранить производственные отходы, но, поскольку этот аппарат можно производить за пределами завода, люди с ограниченными ресурсами или те, кто живет в отдаленных районах, смогут получить более легкий доступ к этому медицинскому устройству .
Хотя для разработки электронных устройств , полностью напечатанных на 3D-принтере, необходимо преодолеть множество препятствий, команда Массачусетского технологического института сделала важный шаг в этом направлении, продемонстрировав полностью напечатанные на 3D-принтере трехмерные соленоиды.
Соленоиды, электромагниты, образованные катушкой с проволокой, намотанной на магнитный сердечник, являются фундаментальным строительным блоком многих электронных устройств, от аппаратов для диализа и респираторов до стиральных и посудомоечных машин.
Исследователи модифицировали 3D-принтер, работающий из нескольких материалов, чтобы он мог печатать компактные соленоиды с магнитным сердечником за один этап. Это исключает дефекты, которые могут возникнуть во время пост-сборочных процессов.
Этот специальный принтер, который мог использовать более эффективные материалы, чем обычные коммерческие принтеры, позволил исследователям создавать соленоиды, которые могли выдерживать вдвое больший электрический ток и генерировать магнитное поле , которое было в три раза больше, чем у других устройств, напечатанных на 3D-принтере.
Помимо удешевления электроники на Земле, это печатное оборудование может быть особенно полезно в освоении космоса. Например, вместо доставки запасных электронных деталей на базу на Марсе, что может занять годы и стоить миллионы долларов, можно отправить сигнал, содержащий файлы для 3D-принтера, говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсиа, главный научный сотрудник Массачусетского технологического института. Лаборатории микросистемных технологий (MTL).
«Нет смысла производить работоспособное оборудование только в нескольких производственных центрах, когда потребность в этом глобальна. Вместо того, чтобы пытаться доставлять оборудование по всему миру, можем ли мы дать людям в отдаленных местах возможность производить его самостоятельно? Аддитивное производство может сыграть важную роль. огромную роль с точки зрения демократизации этих технологий», — добавляет Веласкес-Гарсия, старший автор новой статьи о 3D-печатных соленоидах, опубликованной в журнале Virtual and Physical Prototyping.
В работе над статьей к нему присоединяется ведущий автор Хорхе Каньяда, аспирант в области электротехники и информатики; и Хёнсок Ким, аспирант-механик.
Дополнительные преимущества
Соленоид генерирует магнитное поле, когда через него проходит электрический ток. Например, когда кто-то звонит в дверной звонок, электрический ток течет через соленоид, который генерирует магнитное поле, которое перемещает железный стержень так, что он издает звонок.
Интеграция соленоидов в электрические схемы, изготовленные в чистом помещении, представляет собой серьезную проблему, поскольку они имеют очень разные форм-факторы и изготавливаются с использованием несовместимых процессов, требующих последующей сборки. Следовательно, исследователи исследовали создание соленоидов, используя многие из тех же процессов, которые используются при производстве полупроводниковых чипов. Но эти методы ограничивают размер и форму соленоидов, что снижает производительность.
С помощью аддитивного производства можно производить устройства практически любого размера и формы. Однако это создает свои проблемы, поскольку изготовление соленоида включает в себя намотку тонких слоев, изготовленных из нескольких материалов, которые не все могут быть совместимы с одной машиной.
Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователям пришлось модифицировать коммерческий экструзионный 3D-принтер.
Экструзионная печать позволяет изготавливать объекты по одному с помощью распыления материала через сопло. Обычно принтер использует один тип исходного материала, часто катушки с нитью.
«Некоторые специалисты смотрят на них свысока, потому что они просты и не требуют особых наворотов, но экструзия — один из очень немногих методов, которые позволяют выполнять монолитную печать из нескольких материалов», — говорит Веласкес-Гарсия.
Это ключевой момент, поскольку соленоиды изготавливаются путем точного наслаивания трех разных материалов: диэлектрического материала, который служит изолятором, проводящего материала, образующего электрическую катушку, и магнитомягкого материала, составляющего сердечник.
Команда выбрала принтер с четырьмя соплами — по одному для каждого материала, чтобы предотвратить перекрестное загрязнение. Им понадобилось четыре экструдера, потому что они пробовали два магнитомягких материала: один на основе биоразлагаемого термопластика, а другой на основе нейлона.
Печать гранулами
Они модернизировали принтер так, чтобы одно сопло могло выдавливать гранулы, а не нить. Магнитомягкий нейлон, изготовленный из гибкого полимера, усеянного металлическими микрочастицами, практически невозможно изготовить в виде нити. Тем не менее, этот нейлоновый материал предлагает гораздо лучшие характеристики, чем альтернативы на основе нитей.
Использование проводящего материала также создавало проблемы, поскольку он начинал плавиться и заклинивал сопло. Исследователи обнаружили, что этому помешало добавление вентиляции для охлаждения материала. Они также построили новый держатель катушки для проводящей нити, расположенный ближе к соплу, что уменьшило трение, которое могло повредить тонкие нити.
«Даже с учетом модификаций, внесенных командой, специальное оборудование стоило около 4000 долларов, поэтому этот метод может быть использован другими с меньшими затратами, чем другие подходы», — добавляет Веласкес-Гарсия.
Модифицированное оборудование печатает соленоид размером в четверть американского стандарта в виде спирали, накладывая материал вокруг мягкого магнитного сердечника, при этом более толстые проводящие слои разделяются тонкими изолирующими слоями.
Точное управление процессом имеет первостепенное значение, поскольку каждый материал печатается при разной температуре. Наложение одного материала на другой в неподходящее время может привести к размазыванию материалов.
Поскольку их машина могла печатать более эффективным магнитомягким материалом, соленоиды достигли более высокой производительности, чем другие устройства, напечатанные на 3D-принтере.
Метод печати позволил им построить трехмерное устройство, состоящее из восьми слоев, с катушками проводящего и изолирующего материала, уложенными вокруг ядра, как винтовая лестница. Несколько слоев увеличивают количество катушек в соленоиде , что улучшает усиление магнитного поля.
Благодаря повышенной точности модифицированного принтера они смогли создавать соленоиды, которые были примерно на 33 процента меньше, чем другие версии, напечатанные на 3D-принтере. Большее количество катушек на меньшей площади также увеличивает усиление.
В конце концов, их соленоиды смогли создать магнитное поле, которое было примерно в три раза больше, чем то, что могут достичь другие устройства, напечатанные на 3D-принтере.
«Мы не были первыми, кто смог создавать индукторы, напечатанные на 3D-принтере, но мы были первыми, кто сделал их трехмерными, и это значительно расширяет возможности генерации значений. для удовлетворения более широкого спектра приложений», — говорит он.
Например, хотя эти соленоиды не могут генерировать такое же сильное магнитное поле, как соленоиды, изготовленные с использованием традиционных технологий производства, их можно использовать в качестве преобразователей мощности в небольших датчиках или приводов в мягких роботах.
В дальнейшем исследователи надеются и дальше улучшать свои результаты.
Во-первых, они могли бы попробовать использовать альтернативные материалы, которые могли бы иметь лучшие свойства. Они также изучают дополнительные модификации, которые могли бы более точно контролировать температуру осаждения каждого материала, уменьшая количество дефектов.
