麻省理工研究人員開發(fā)3D打印電磁體技術(shù)，實(shí)現(xiàn)一步生產(chǎn)復(fù)雜電子設(shè)備的關(guān)鍵組件
時(shí)間：2024-02-27 09:37 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
2024年2月26日，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)出一種方法，可以使用3D打印一步生產(chǎn)出復(fù)雜的電磁線圈（由纏繞在磁芯上的線圈形成的電磁鐵）。這種線圈是許多電子設(shè)備的基本組件，從透析機(jī)到呼吸機(jī)和洗衣機(jī)。它們通過載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場(chǎng)。傳統(tǒng)上，制造電磁線圈需要經(jīng)過復(fù)雜的加工工序和特殊的設(shè)備，但是這項(xiàng)研究表明，利用3D打印技術(shù)可以更加簡(jiǎn)便地制造出這種設(shè)備。
研究人員改裝了一臺(tái)多材料3D打印機(jī)，使它能夠一步到位打印出緊湊的電磁線圈，從而消除了后組裝過程中可能出現(xiàn)的缺陷。這種定制打印機(jī)可以使用比典型商業(yè)打印機(jī)性能更高的材料，使研究人員能夠生產(chǎn)出能夠承受兩倍電流，并產(chǎn)生比其它3D打印設(shè)備大三倍磁場(chǎng)的電磁線圈。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García表示，除了讓地球上的電子產(chǎn)品變得更便宜外，這種打印硬件技術(shù)在太空探索中也會(huì)特別有用。例如，人們可以發(fā)送一個(gè)3D打印數(shù)字文件到火星基地，而不是必須運(yùn)輸替換零部件，因?yàn)椋笳叩姆绞娇赡苄枰獢?shù)年時(shí)間并花費(fèi)數(shù)百萬美元。
Velásquez-García強(qiáng)調(diào)：“如果需求是全球性的，它就沒有理由只停留在幾個(gè)少數(shù)制造中心的手里。與其將硬件運(yùn)往世界各地，我們是否可以讓遠(yuǎn)方的人們自己制造硬件？增材制造可以在這些技術(shù)的民主化方面發(fā)揮巨大作用。”
增材制造的優(yōu)點(diǎn)
麻省理工的電磁線圈是通過精確分層三種不同的材料制成的：一種是作為絕緣體的介電材料，一種是構(gòu)成線圈的導(dǎo)電材料，還有一種是構(gòu)成磁芯的軟磁材料。
當(dāng)電流通過螺線管時(shí)，螺線管會(huì)生成磁場(chǎng)。例如，按門鈴時(shí)，電流流經(jīng)螺線管，產(chǎn)生磁場(chǎng)使鐵棒移動(dòng)，從而敲響門鈴。將螺線管集成到在無塵室中制造的電路板上面臨著重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊耐庑纬叽珏漠悾褂玫氖遣患嫒莸墓に嚕枰M(jìn)行后期組裝。因此，研究人員探索了利用制造半導(dǎo)體芯片的許多相同工藝來制造螺線管的可能性。然而，但是這些技術(shù)限制了螺線管的大小和形狀，從而影響了它的性能。
利用3D打印技術(shù)，人們可以制造幾乎任何尺寸和形狀的設(shè)備。然而，這也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)橹谱髀菥�管需要卷繞由多種材料制成的薄層，而這些材料可能無法全部與一臺(tái)機(jī)器兼容。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員需要改裝一臺(tái)商用擠壓式3D打印機(jī)。
研究小組選擇了一臺(tái)帶有四個(gè)噴嘴的打印機(jī)，每種材料各配一個(gè)噴嘴，以防止交叉污染。他們使用了兩種軟磁材料，一種基于可生物降解的熱塑性塑料，另一種基于尼龍。
"Velásquez-García指出："一些人對(duì)擠壓式3D打印機(jī)不屑一顧，認(rèn)為它們簡(jiǎn)單，功能有限。然而，擠壓式3D打印機(jī)是極少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多材料、一體化成型的方法之一。”
制造更小巧的螺線管
研究小組改造了打印機(jī)，使一個(gè)噴嘴可以擠出顆粒而不是長(zhǎng)絲。這種軟磁尼龍由一種柔韌的聚合物制成，上面鑲嵌著金屬微粒，幾乎不可能制成長(zhǎng)絲。然而，這種尼龍材料的性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絲狀材料。
使用導(dǎo)電材料也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼤?huì)開始融化并卡住噴嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，增加通風(fēng)裝置來冷卻材料可以避免這種情況。他們還為導(dǎo)電長(zhǎng)絲制作了一個(gè)新的線軸支架，使其更靠近噴嘴，從而減少了可能損壞細(xì)絲的摩擦力。
Velásquez-García表示，即使經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的改裝，定制硬件的成本也在4000美元左右（約合28萬人民幣）。但與與其它方法相比，這項(xiàng)技術(shù)的成本更低。
定制的3D打印設(shè)備通過在軟磁芯周圍分層材料將電磁鐵以螺旋狀打印出來，較厚的導(dǎo)電層由薄絕緣層隔開，大小僅為美國硬幣的四分之一。因此，精確控制工藝至關(guān)重要，因?yàn)槊糠N材料的打印溫度都不同。如果在錯(cuò)誤的時(shí)間將一種材料沉積在另一種材料上，可能會(huì)導(dǎo)致材料沉積不正確。因此，使用軟磁材料打印螺線管可以產(chǎn)生更強(qiáng)大、更可靠的電磁鐵，這使其在各種應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
這種打印方法使研究人員能夠制造出一個(gè)由八層螺線管組成的3D打印裝置，導(dǎo)電和絕緣材料的線圈像螺旋樓梯一樣堆疊在核心周圍。多層結(jié)構(gòu)增加了電磁鐵中線圈的數(shù)量，從而提高了磁場(chǎng)的放大效果。
該小組表示，由于改進(jìn)后的打印機(jī)精度更高，他們制作的螺線管比其它3D打印版本小33%。在更小的面積上安裝更多的線圈也能提高放大率。
Velásquez-García說：“我們不是第一批能夠制作3D打印電感器的人，但我們是第一批將電感器制作成三維的人。這意味著我們能夠滿足更廣泛的應(yīng)用需求。”
例如，雖然這些電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)不如用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的電磁鐵大，但它們可以用作小型傳感器的功率轉(zhuǎn)換器或軟機(jī)器人的致動(dòng)器。
這項(xiàng)創(chuàng)新有望大幅削減成本，最大限度地減少制造浪費(fèi)，并為偏遠(yuǎn)或資源有限地區(qū)的人們提供更便捷的醫(yī)療設(shè)備。為了進(jìn)一步提高電磁鐵的性能，麻省理工學(xué)院的研究人員正在探索可能具有更合適特性的替代材料。他們還在探索更多的改良方法，以便更精確地控制每種材料的沉積溫度，從而減少缺陷。
△采用經(jīng)過改造的多材料3D打印緊湊的電磁線圈
研究人員改裝了一臺(tái)多材料3D打印機(jī)，使它能夠一步到位打印出緊湊的電磁線圈，從而消除了后組裝過程中可能出現(xiàn)的缺陷。這種定制打印機(jī)可以使用比典型商業(yè)打印機(jī)性能更高的材料，使研究人員能夠生產(chǎn)出能夠承受兩倍電流，并產(chǎn)生比其它3D打印設(shè)備大三倍磁場(chǎng)的電磁線圈。
△該研究已發(fā)表在《Virtual and Physical Prototyping》雜志上，題目為“通過多材料擠壓實(shí)現(xiàn)三維軟磁芯螺線管”（傳送門）
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（MTL）首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García表示，除了讓地球上的電子產(chǎn)品變得更便宜外，這種打印硬件技術(shù)在太空探索中也會(huì)特別有用。例如，人們可以發(fā)送一個(gè)3D打印數(shù)字文件到火星基地，而不是必須運(yùn)輸替換零部件，因?yàn)椋笳叩姆绞娇赡苄枰獢?shù)年時(shí)間并花費(fèi)數(shù)百萬美元。
Velásquez-García強(qiáng)調(diào)：“如果需求是全球性的，它就沒有理由只停留在幾個(gè)少數(shù)制造中心的手里。與其將硬件運(yùn)往世界各地，我們是否可以讓遠(yuǎn)方的人們自己制造硬件？增材制造可以在這些技術(shù)的民主化方面發(fā)揮巨大作用。”
△3D打印改裝部件
增材制造的優(yōu)點(diǎn)
麻省理工的電磁線圈是通過精確分層三種不同的材料制成的：一種是作為絕緣體的介電材料，一種是構(gòu)成線圈的導(dǎo)電材料，還有一種是構(gòu)成磁芯的軟磁材料。
當(dāng)電流通過螺線管時(shí)，螺線管會(huì)生成磁場(chǎng)。例如，按門鈴時(shí)，電流流經(jīng)螺線管，產(chǎn)生磁場(chǎng)使鐵棒移動(dòng)，從而敲響門鈴。將螺線管集成到在無塵室中制造的電路板上面臨著重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兊耐庑纬叽珏漠悾褂玫氖遣患嫒莸墓に嚕枰M(jìn)行后期組裝。因此，研究人員探索了利用制造半導(dǎo)體芯片的許多相同工藝來制造螺線管的可能性。然而，但是這些技術(shù)限制了螺線管的大小和形狀，從而影響了它的性能。
利用3D打印技術(shù)，人們可以制造幾乎任何尺寸和形狀的設(shè)備。然而，這也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)橹谱髀菥�管需要卷繞由多種材料制成的薄層，而這些材料可能無法全部與一臺(tái)機(jī)器兼容。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員需要改裝一臺(tái)商用擠壓式3D打印機(jī)。
研究小組選擇了一臺(tái)帶有四個(gè)噴嘴的打印機(jī)，每種材料各配一個(gè)噴嘴，以防止交叉污染。他們使用了兩種軟磁材料，一種基于可生物降解的熱塑性塑料，另一種基于尼龍。
"Velásquez-García指出："一些人對(duì)擠壓式3D打印機(jī)不屑一顧，認(rèn)為它們簡(jiǎn)單，功能有限。然而，擠壓式3D打印機(jī)是極少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)多材料、一體化成型的方法之一。”
△一種兩步制造有芯螺線管的方法
制造更小巧的螺線管
研究小組改造了打印機(jī)，使一個(gè)噴嘴可以擠出顆粒而不是長(zhǎng)絲。這種軟磁尼龍由一種柔韌的聚合物制成，上面鑲嵌著金屬微粒，幾乎不可能制成長(zhǎng)絲。然而，這種尼龍材料的性能卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絲狀材料。
使用導(dǎo)電材料也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼤?huì)開始融化并卡住噴嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，增加通風(fēng)裝置來冷卻材料可以避免這種情況。他們還為導(dǎo)電長(zhǎng)絲制作了一個(gè)新的線軸支架，使其更靠近噴嘴，從而減少了可能損壞細(xì)絲的摩擦力。
△本研究中使用的E3D ToolChanger 3D打印機(jī)。打印機(jī)的框架寬和深約為22英寸
Velásquez-García表示，即使經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的改裝，定制硬件的成本也在4000美元左右（約合28萬人民幣）。但與與其它方法相比，這項(xiàng)技術(shù)的成本更低。
定制的3D打印設(shè)備通過在軟磁芯周圍分層材料將電磁鐵以螺旋狀打印出來，較厚的導(dǎo)電層由薄絕緣層隔開，大小僅為美國硬幣的四分之一。因此，精確控制工藝至關(guān)重要，因?yàn)槊糠N材料的打印溫度都不同。如果在錯(cuò)誤的時(shí)間將一種材料沉積在另一種材料上，可能會(huì)導(dǎo)致材料沉積不正確。因此，使用軟磁材料打印螺線管可以產(chǎn)生更強(qiáng)大、更可靠的電磁鐵，這使其在各種應(yīng)用中具有競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
這種打印方法使研究人員能夠制造出一個(gè)由八層螺線管組成的3D打印裝置，導(dǎo)電和絕緣材料的線圈像螺旋樓梯一樣堆疊在核心周圍。多層結(jié)構(gòu)增加了電磁鐵中線圈的數(shù)量，從而提高了磁場(chǎng)的放大效果。
△3D打印電感器的特寫剖視圖，顯示層間電氣連接 (a) 和描述絕緣層不同幾何形狀的分解圖 (b)
該小組表示，由于改進(jìn)后的打印機(jī)精度更高，他們制作的螺線管比其它3D打印版本小33%。在更小的面積上安裝更多的線圈也能提高放大率。
Velásquez-García說：“我們不是第一批能夠制作3D打印電感器的人，但我們是第一批將電感器制作成三維的人。這意味著我們能夠滿足更廣泛的應(yīng)用需求。”
例如，雖然這些電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)不如用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的電磁鐵大，但它們可以用作小型傳感器的功率轉(zhuǎn)換器或軟機(jī)器人的致動(dòng)器。
這項(xiàng)創(chuàng)新有望大幅削減成本，最大限度地減少制造浪費(fèi)，并為偏遠(yuǎn)或資源有限地區(qū)的人們提供更便捷的醫(yī)療設(shè)備。為了進(jìn)一步提高電磁鐵的性能，麻省理工學(xué)院的研究人員正在探索可能具有更合適特性的替代材料。他們還在探索更多的改良方法，以便更精確地控制每種材料的沉積溫度，從而減少缺陷。
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