麻省理工研究人員開發(fā)3D打印電磁體技術(shù),，實現(xiàn)一步生產(chǎn)復(fù)雜電子設(shè)備的關(guān)鍵組件

2024年2月26日,，南極熊獲悉，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，從透析機到呼吸機和洗衣機,。它們通過載流導(dǎo)體產(chǎn)生磁場,。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,，但是這項研究表明,，利用3D打印技術(shù)可以更加簡便地制造出這種設(shè)備。

△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多材料3D打印機,，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。這種定制打印機可以使用比典型商業(yè)打印機性能更高的材料,，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)實驗室（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)在太空探索中也會特別有用,。例如，人們可以發(fā)送一個3D打印數(shù)字文件到火星基地,，而不是必須運輸替換零部件,，因為,，后者的方式可能需要數(shù)年時間并花費數(shù)百萬美元。

Velásquez-García強調(diào)：“如果需求是全球性的,，它就沒有理由只停留在幾個少數(shù)制造中心的手里,。與其將硬件運往世界各地，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

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,，螺線管會生成磁場,。例如，按門鈴時,，電流流經(jīng)螺線管,，產(chǎn)生磁場使鐵棒移動，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),，因為它們的外形尺寸迥異，使用的是不兼容的工藝,，需要進(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),，因為制作螺線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機器兼容,。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),，研究人員需要改裝一臺商用擠壓式3D打印機。

研究小組選擇了一臺帶有四個噴嘴的打印機,，每種材料各配一個噴嘴,，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："一些人對擠壓式3D打印機不屑一顧，認(rèn)為它們簡單,，功能有限,。然而，擠壓式3D打印機是極少數(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,，使一個噴嘴可以擠出顆粒而不是長絲。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)，因為它會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)電長絲制作了一個新的線軸支架,，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,。打印機的框架寬和深約為22英寸

Velásquez-García表示,，即使經(jīng)過團隊的改裝，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，因為每種材料的打印溫度都不同,。如果在錯誤的時間將一種材料沉積在另一種材料上，可能會導(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)生更強大、更可靠的電磁鐵,，這使其在各種應(yīng)用中具有競爭優(yōu)勢,。

這種打印方法使研究人員能夠制造出一個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)換器或軟機器人的致動器,。

這項創(chuàng)新有望大幅削減成本，最大限度地減少制造浪費,，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,。