Поломка двигателя в автоматизированном станке может парализовать производство на загруженном заводском цехе. Если инженеры не смогут найти запасную часть, им, возможно, придется заказывать ее у дистрибьютора за сотни километров, что приведет к дорогостоящим задержкам производства. Было бы проще, быстрее и дешевле изготовить новый двигатель на месте, но изготовление электрических машин обычно требует специализированного оборудования и сложных процессов, что ограничивает производство несколькими производственными центрами.

Стремясь демократизировать производство сложных устройств, исследователи из Массачусетского технологического института разработали многокомпонентную платформу 3D-печати , которая может использоваться для полной печати электрических машин за один этап.

Они разработали свою систему для обработки множества функциональных материалов, включая электропроводящие и магнитные материалы, используя четыре экструзионных инструмента , способных работать с различными видами материалов для печати. ​​Принтер переключается между экструдерами, которые наносят материал, выдавливая его через сопло, по мере того, как устройство изготавливается слой за слоем.

Исследователи использовали эту систему для создания полностью напечатанного на 3D-принтере электрического линейного двигателя за считанные часы, используя всего пять материалов. Им потребовалось выполнить лишь один этап постобработки, чтобы двигатель стал полностью функциональным.

Собранное устройство показало результаты не хуже, а то и лучше, чем аналогичные двигатели, для изготовления которых требуются более сложные методы или дополнительные этапы постобработки.

В долгосрочной перспективе эта платформа 3D-печати может быть использована для быстрого изготовления настраиваемых электронных компонентов для роботов, транспортных средств или медицинского оборудования со значительно меньшим количеством отходов.

«Это большое достижение, но это только начало. У нас есть возможность коренным образом изменить способ производства, изготавливая оборудование на месте за один этап, вместо того чтобы полагаться на глобальную цепочку поставок. Этой демонстрацией мы показали, что это осуществимо», — говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, ведущий научный сотрудник Лаборатории микросистемных технологий (MTL) Массачусетского технологического института и старший автор статьи, описывающей платформу 3D-печати, опубликованной в журнале Virtual and Physical Prototyping.

Вместе с ним в работе над статьей приняли участие аспиранты факультета электротехники и информатики (EECS) Хорхе Каньяда, являющийся ведущим автором, и Зои Бигелоу.

Дополнительные материалы

Исследователи сосредоточились на экструзионной 3D-печати — проверенном методе, который предполагает послойное изготовление объекта путем впрыскивания материала через сопло.

Для создания электрической машины исследователям потребовалось иметь возможность переключаться между несколькими материалами, обладающими различными функциональными свойствами. Например, устройству понадобился бы электропроводящий материал для проведения электрического тока и твердые магнитные материалы для генерации магнитных полей, обеспечивающих эффективное преобразование энергии.

Большинство систем многокомпонентной экструзионной 3D-печати могут переключаться только между двумя материалами, имеющими одинаковую форму, например, нитью или гранулами, поэтому исследователям пришлось разработать собственную систему. Они модернизировали существующий принтер, оснастив его четырьмя экструдерами, каждый из которых может работать с различными видами сырья.

Они тщательно проектировали каждый экструдер, чтобы сбалансировать требования и ограничения материала. Например, электропроводящий материал должен затвердевать без использования чрезмерного нагрева или ультрафиолетового излучения, поскольку это может привести к деградации диэлектрического материала.

В то же время, наиболее эффективные электропроводящие материалы выпускаются в виде чернил, которые экструдируются с помощью системы высокого давления. Этот процесс предъявляет совершенно иные требования, чем стандартные экструдеры, использующие нагретые сопла для распыления расплавленной нити или гранул.

«Перед нами стояли серьезные инженерные задачи. Нам нужно было придумать, как объединить множество различных вариантов одного и того же метода печати — экструзии — в единую платформу», — говорит Веласкес-Гарсия.

Исследователи использовали стратегически расположенные датчики и новую систему управления, благодаря чему каждый инструмент последовательно захватывается и опускается роботизированными манипуляторами платформы, а каждая насадка перемещается точно и предсказуемо.

Это гарантирует правильное выравнивание каждого слоя материала — даже небольшое смещение может нарушить работу готового станка.

Изготовление двигателя

После усовершенствования платформы для печати исследователи изготовили линейный двигатель, который создает прямолинейное движение (в отличие от вращающегося двигателя, как, например, в автомобиле). Линейные двигатели используются в таких областях, как робототехника для захвата и перемещения объектов, оптические системы и багажные конвейеры.

Они изготовили двигатель примерно за три часа, и после печати им оставалось лишь намагнитить твердые магнитные материалы для обеспечения полной функциональности. По оценкам исследователей, общая стоимость материалов составит около 50 центов за устройство. Созданный ими на 3D-принтере двигатель смог генерировать в несколько раз большую силу тока, чем распространенный линейный двигатель, использующий сложные гидравлические усилители.

«Хотя нас и восхищает этот двигатель и его характеристики, мы также воодушевлены тем, что это лишь один из многих примеров того, что нас ждет в будущем и что может кардинально изменить методы производства электроники», — говорит Веласкес-Гарсия.

В будущем исследователи планируют интегрировать этап намагничивания в процесс экструзии многокомпонентных материалов, продемонстрировать изготовление полностью напечатанных на 3D-принтере вращающихся электродвигателей и добавить на платформу больше инструментов, позволяющих осуществлять монолитное изготовление более сложных электронных устройств.