Инженеры распечатали электромагниты на 3D принтере

Исследователи MIT модифицировали многоматериальный 3D-принтер, чтобы он мог производить трехмерные соленоиды за один шаг, накладывая ультратонкие катушки из трех различных материалов.Он печатает соленоид на четверть размером с США в виде спирали, наслоив материал вокруг мягкого магнитного ядра, с более толстыми проводящими слоями, разделенными тонкими изолирующими слоями.Кредит: Массачусетский технологический институт

Представьте, что вы можете построить целую диализную машину, используя не более чем 3D -принтер.

Это может не только снизить затраты и устранить производственные отходы, но поскольку эта машина может быть произведена за пределами фабрики, люди с ограниченными ресурсами или тех, кто живет в отдаленных районах, могут легче получить доступ к этому медицинскому устройству.

Хотя необходимо преодолеть многочисленные препятствия для разработки электронных устройств, которые полностью напечатаны 3D, команда в MIT сделала важный шаг в этом направлении, демонстрируя полностью трехмерные трехмерные соленоиды.

Соленоиды, электромагниты, образованные катушкой из проволоки, обернутой вокруг магнитного ядра, представляют собой фундаментальный строительный блок многих электроники, от диализных машин и респираторов до стиральных машин и посудомоечных машин.

Исследователи модифицировали мультиматериальный 3D-принтер, чтобы он мог распечатать компактные соленоиды с магнитно-сервисным соленоидом за один шаг.Это устраняет дефекты, которые могут быть введены в процессах после сборки.

Этот индивидуальный принтер, который мог бы использовать более эффективные материалы, чем типичные коммерческие принтеры, позволил исследователям производить соленоиды, которые могут выдержать в два раза больше электрического тока, и генерировать магнитное поле, которое было в три раза больше, чем другие 3D-печатные устройства.

В дополнение к тому, чтобы сделать электронику дешевле на Земле, это печатное оборудование может быть особенно полезным в исследовании космоса.Например, вместо доставки замены электронных деталей на базу на Марсе, которая может занять годы и стоить миллионы долларов, можно отправить сигнал, содержащий файлы для 3D-принтера, говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, основной научный сотрудник в MIT’sMicrosystems Technology Laboratories (MTL).

«Нет никаких оснований делать способное оборудование только в нескольких центрах производства, когда необходимость является глобальной. Вместо того, чтобы попытаться отправить оборудование по всему миру, можем ли мы дать людям возможность сделать его самим? Аддитивное производство может игратьОгромная роль с точки зрения демократизации этих технологий », добавляет Веласкес-Гарсию, старший автор новой статьи о 3D-печатных соленоидах, опубликованных в журнале« Виртуальное и физическое прототипирование ».

Он присоединился к бумаге со стороны ведущего автора Хорхе Каньяда, аспиранта по электротехнике и информатике;и Hyeonseok Kim, аспирант по машиностроению.

Соленоид генерирует магнитное поле, когда через него проходит электрический ток.Например, когда кто -то звонит в дверной звонок, электрический ток протекает через соленоид, который генерирует магнитное поле, которое перемещает железный стержень, так что он поражает звонок.

Интеграция соленоидов в электрические схемы, изготовленные в чистой комнате, создает серьезные проблемы, поскольку они имеют очень разные форм -факторы и выполняются с использованием несовместимых процессов, которые требуют после сборки.Следовательно, исследователи исследовали изготовление соленоидов, использующих многие из тех же процессов, которые производят полупроводниковые чипы.Но эти методы ограничивают размер и форму соленоидов, которые препятствуют производительности.

С помощью аддитивного производства можно производить устройства, которые практически любого размера и формы.Тем не менее, это представляет свои собственные проблемы, поскольку изготовление соленоида включает в себя покрытие тонких слоев, изготовленных из нескольких материалов, которые могут быть не совместимы с одной машиной.

Чтобы преодолеть эти проблемы, исследователям необходимо изменить коммерческий 3D -принтер коммерческого экструзии.

Экструзионная печать изготавливает объекты по одному слою за раз, впрыскивая материал через насадку.Как правило, принтер использует один тип материала, часто катушки нити.

«Некоторые люди в полевых условиях смотрят на них свысока, потому что они просты и не имеют много наворотов, но экструзия-один из очень немногих методов, который позволяет вам делать многоматериальную монолитную печать»,-говорит Веласкес-Гарсия.

Это является ключевым ключом, поскольку соленоиды производятся именно путем точного наслоения трех различных материалов - диэлектрического материала, который служит изолятором, проводящим материалом, который образует электрическую катушку, и мягкий магнитный материал, который составляет ядро.

Команда выбрала принтер с четырьмя соплазами-один посвящен каждому материалу для предотвращения перекрестного загрязнения.Им нужно было четыре экструдера, потому что они пробовали два мягких магнитных материала, один из которых основал на биоразлагаемом термопластике, а другой на основе нейлона.

Они модернизировали принтер, чтобы одна сопло могла выдавать гранулы, а не нить.Мягкий магнитный нейлон, изготовленный из гибкого полимера, усеянного металлическими микрочастицами, практически невозможно произвести в качестве нити.Тем не менее, этот нейлоновый материал предлагает гораздо лучшую производительность, чем альтернативы на основе нити.

Использование проводящего материала также сталкивалось с проблемами, так как он начнет таять и застрелить насадку.Исследователи обнаружили, что добавление вентиляции для охлаждения материала предотвратило это.Они также построили новый держатель катушки для проводящей нити, которая была ближе к сопло, уменьшив трение, которое могло повредить тонкие пряди.

Даже с модификациями команды индивидуальное оборудование стоило около 4000 долларов, поэтому этот метод может быть использован другими по более низкой стоимости, чем другие подходы, добавляет Веласкес-Гарсия.

Модифицированное аппаратное обеспечение печатает соленоид в четверть размера в США в виде спирали путем наслоения материала вокруг мягкого магнитного ядра, с более толстыми проводящими слоями, разделенными тонкими изолирующими слоями.

Точно контролировать процесс имеет первостепенное значение, поскольку каждый материал печатает при различной температуре.Депонирование одного на вершине другого в неподходящее время может привести к размазке материалов.

Поскольку их машина может печатать с более эффективным мягким магнитным материалом, соленоиды достигли более высокой производительности, чем другие 3D-печатные устройства.

Метод печати позволил им создать трехмерное устройство, содержащее восемь слоев, с катушками с проводящим и изолирующим материалом, сложенными вокруг ядра, как спиральная лестница.Несколько слоев увеличивают количество катушек в соленоиде, что улучшает усиление магнитного поля.

Из-за добавленной точности модифицированного принтера они могли сделать соленоиды, которые были примерно на 33 процента меньше, чем другие 3D-печатные версии.Больше катушек в меньшей области также повышает усиление.

В конце концов, их соленоиды могут создавать магнитное поле, которое было примерно в три раза больше, чем то, чего могут достичь другие 3D-печатные устройства.

«Мы были не первыми людьми, которые могли создавать индукторы, которые 3D-печать, но мы были первыми, кто сделал их трехмерными, и это значительно усиливает виды ценностей, которые вы можете генерировать. И это приводит к тому, что он способен к способности.Чтобы удовлетворить более широкий спектр приложений », - говорит он.

Например, в то время как эти соленоиды не могут генерировать столько магнитного поля, сколько и из традиционных методов изготовления, их можно использовать в качестве конверторов мощности в небольших датчиках или приводах в мягких роботах.

Двигаясь вперед, исследователи стремятся продолжать повышать свою производительность.

С одной стороны, они могут попытаться использовать альтернативные материалы, которые могут иметь лучшие свойства.Они также изучают дополнительные модификации, которые могли бы более точно контролировать температуру, при которой каждый материал осаждается, уменьшая дефекты.

Больше информации: Хорхе Каньяда и др., Трехмерные, мягкие магнитные соленоиды посредством многоматериальной экструзии, виртуального и физического прототипирования (2024).Doi: 10.1080/17452759.2024.2310046