Электронные устройства станут более доступными с помощью многоматериальной 3D-печати

Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) успешно напечатали на 3D-принтере мягкие соленоиды с магнитным сердечником, которые являются более мощными, чем изготовленные альтернативными методами. Эти электромагниты содержат катушку проволоки, обмотанную вокруг магнитного сердечника, и играют ключевую роль во многих электронных устройствах, таких как диализные аппараты и респираторы.

Модифицировав коммерчески доступный мультиматериальный 3D-принтер, исследователи смогли изготовить соленоиды в один шаг. Есть надежда, что этот подход увеличит доступность ключевых электронных устройств для людей с ограниченными ресурсами или живущих в отдаленных районах.

По идее Луиса Фернандо Веласкес-Гарсии, старшего автора исследования MTI, недавно опубликованного в журнале Virtual and Physical Prototyping, «вместо того, чтобы пытаться развозить мощное оборудование по всему миру, проще дать людям в отдаленных местах возможность изготавливать его самостоятельно». И аддитивное производство может сыграть огромную роль в демократизации этих технологий.

Возможности 3D-печати также могут сыграть ключевую роль в производстве электронных устройств во время будущих космических миссий. Вместо того чтобы отправлять запасные компоненты с Земли, подобные 3D-принтеры можно использовать для изготовления деталей там, где они нужны, экономя время и деньги.

Аддитивное производство можно использовать для производства соленоидов почти любой формы и размера. Однако производство этих устройств требует точного совмещения нескольких материалов. Чтобы изготовить свои соленоиды, команда Массачусетского технологического института использовала служащий изолятором диэлектрический материал, ведущий материал, образующий электрическую катушку, и два магнитомягких материала для сердечника – один на основе биоразлагаемого термопласта, а другой – на нейлоне. Сочетание этих материалов создает проблемы для обычных 3D принтеров с одним соплом, которые могут экструдировать только один материал за раз. Поэтому исследователи Массачусетского технологического института использовали 3D-принтер с четырьмя экструдерами, каждый из которых предназначен для разных материалов.

Одно из сопел было модифицировано для выдавливания гранул, а не нитей. Это позволило команде включить мягкий магнитный материал нейлон 12, усеянный металлическими микрочастицами, который не был доступен в виде волокон. Также была добавлена дополнительная вентиляция, чтобы помочь охладить проводящий материал, предотвращая засор сопла во время экструзии.

Модифицированный 3D-принтер команды стоимостью около 4000 долларов может производить полные соленоиды, состоящие из восьми слоев, с катушками и изоляционным материалом, точно расположенным вокруг магнитного сердечника. Благодаря точности, предложенной этим подходом, команда успешно изготовила устройства на 33% меньше тех, которые были изготовлены с помощью альтернативных методов 3D-печати.

Размещение большего количества катушек на меньшей площади может увеличить усиление. Таким образом, соленоиды Массачусетского технологического института способны выдерживать вдвое больший электрический ток и генерировать магнитное поле в три раза сильнее электромагнитов, изготовленных с помощью других 3D-принтеров.

Изготавливая каждое устройство как единое целое, исследователи устранили возможность дефектов, которые могли возникнуть во время постобработки и сборки. Это также может снизить производственные затраты и сократить отходы производства.

Глядя в будущее, исследователи будут дальше работать над повышением производительности своих 3D-печатных соленоидов, что может включать использование материалов с лучшими свойствами. Также рассматриваются дополнительные модификации, которые могли бы более точно контролировать температуру осаждения с надеждой уменьшить количество дефектов.