Massachusetts Institute of Technology
Natisnjeni elektromagneti bi lahko omogočili elektronsko opremo, ki bi bila cenejša in bi jo bilo lažje izdelati – na Zemlji ali v vesolju.
Predstavljajte si, da bi lahko celoten dializni aparat izdelali zgolj s 3D-tiskalnikom.
S tem ne bi le zmanjšali stroškov in odpravili proizvodnih odpadkov, ampak bi lahko ta stroj izdelali zunaj tovarne, zato bi lahko ljudje z omejenimi sredstvi ali tisti, ki živijo na oddaljenih območjih, lažje dostopali do tega medicinskega pripomočka.
Za razvoj elektronskih naprav, ki so v celoti natisnjene v 3D, je treba premagati številne ovire, vendar je ekipa na univerzi MIT naredila pomemben korak v tej smeri in predstavila tridimenzionalne elektromagnete, ki so vceloti natisnjeni v 3D.
Elektromagneti, ki jih tvori tuljava z žico, ki je ovita okoli magnetnega jedra, so temeljni gradniki številnih elektronskih naprav, od dializnih aparatov in respiratorjev do pralnih in pomivalnih strojev.
Raziskovalci so 3D-tiskalnik, ki lahko tiska več vrst materialov spremenili tako, da je lahko v enem koraku natisnil kompaktne elektromagnete z magnetnim jedrom. S tem so odpravili napake, ki bi se lahko pojavile med postopki naknadnega sestavljanja.
Ta prilagojeni tiskalnik, ki lahko uporablja boljše materiale kot običajni komercialni tiskalniki, je raziskovalcem omogočil izdelavo elektromagnetov, ki so lahko prenesli dvakrat večji električni tok in ustvarili trikrat večje magnetno polje, kot druge 3D-tiskane naprave.
Poleg pocenitve elektronike na Zemlji bi lahko bila ta tiskarska oprema še posebej uporabna pri raziskovanju vesolja. Na primer, namesto pošiljanja nadomestnih elektronskih delov v bazo na Marsu, kar bi lahko trajalo več let in stalo več milijonov dolarjev, bi lahko poslali signal z datotekami za 3D tiskalnik, pravi Luis Fernando Velásquez-García, glavni raziskovalec v Laboratorijih za mikrosistemsko tehnologijo (MTL) pri MIT.
“Ni razloga, da bi zmogljivo strojno opremo izdelovali le v nekaj proizvodnih centrih, če je potreba po njej globalna. Namesto da bi strojno opremo pošiljali po vsem svetu, lahko ljudem v oddaljenih krajih omogočimo, da jo izdelajo sami. Aditivna proizvodnja lahko igra izjemno vlogo pri demokratizaciji teh tehnologij,” dodaja Velásquez-García, glavni avtor novega članka o 3D natisnjenih elektromagnetih, ki je objavljen v reviji Virtual and Physical Prototyping [1].
Poleg njega sta v članku sodelovala še Jorge Cañada, podiplomski študent elektrotehnike in računalništva, ter Hyeonseok Kim, podiplomski študent strojništva.
Prednosti aditivov
Elektromagnet ustvarja izmenično magnetno polje, ko skozi njega teče izmenični električni tok. Ko nekdo na primer pozvoni na vratih, električni tok steče skozi elektromagnet in ustvari magnetno polje, ki izmenično premika železno palico tako, da ta izmenično udarja na zvonec.
Vključevanje elektromagnetov v električna vezja, izdelana v čistem prostoru, predstavlja velik izziv, saj imajo zelo različne faktorje oblike in so izdelani z nezdružljivimi postopki, ki zahtevajo naknadno montažo. Zato so raziskovalci preučevali izdelavo elektromagnetov z uporabo številnih enakih postopkov, kot jih uporabljajo pri izdelavi polprevodniških čipov. Vendar te tehnike omejujejo velikost in obliko elektromagnetov, kar ovira učinkovitost.
Z aditivno proizvodnjo lahko izdelate naprave praktično poljubne velikosti in oblike. Vendar pa to prinaša tudi svoje izzive, saj izdelava elektromagnetne cevke vključuje navijanje tankih plasti iz več materialov, ki morda niso združljivi z enim strojem.
Da bi premagali te izzive, so morali raziskovalci spremeniti komercialni 3D tiskalnik za ekstruzijo.
Pri ekstrudijskem tiskanju se predmeti izdelajo v enem sloju naenkrat z brizganjem materiala skozi šobo. Običajno tiskalnik uporablja eno vrsto surovine za material, pogosto tuljave filamenta.
“Nekateri ljudje na tem področju jih gledajo zviška, ker so preprosti, vendar je ekstrudiranje ena od redkih metod, ki omogoča monolitno tiskanje iz večjega števila materialov,” pravi Velásquez-García.
To je ključnega pomena, saj so elektromagneti izdelani z natančnim plastenjem treh različnih materialov – dielektričnega materiala, ki služi kot izolator, prevodnega materiala, ki tvori električno tuljavo, in mehkega magnetnega materiala, ki tvori jedro.
Ekipa je izbrala tiskalnik s štirimi šobami – po eno za vsak material, da bi preprečili navzkrižno kontaminacijo. Štiri ekstruderje so potrebovali, ker so preizkusili dva mehka magnetna materiala, enega na osnovi biološko razgradljivega termoplasta in drugega na osnovi najlona.
Tiskanje z granulami
Tiskalnik so naknadno opremili tako, da je ena šoba lahko iztiskala granule namesto filamenta. Mehek magnetni najlon, ki je narejen iz upogljivega polimera, posutega s kovinskimi mikrodelci, je praktično nemogoče izdelati kot filament. Kljub temu ta najlonski material ponuja veliko boljše zmogljivosti kot alternativni materiali na osnovi filamentov.
Tudi uporaba prevodnega materiala je predstavljala izziv, saj se je ta začel topiti in je zamašil šobo. Raziskovalci so ugotovili, da je to preprečilo dodajanje prezračevanja za hlajenje materiala. Izdelali so tudi novo držalo za tuljavo prevodnega filamenta, ki je bilo bližje šobi, kar je zmanjšalo trenje, ki bi lahko poškodovalo tanke pramene.
Tudi s spremembami, ki jih je izvedla ekipa, je prilagojena strojna oprema stala približno 4.000 dolarjev, zato bi to tehniko lahko uporabljali tudi drugi in bi bila cenejša od drugih pristopov, dodaja Velásquez-García.
Spremenjena strojna oprema natisne elektromagnet v velikosti ameriškega kovanca kot spiralo s plastenjem materiala okoli mehkega magnetnega jedra, pri čemer so debelejše prevodne plasti ločene s tankimi izolacijskimi plastmi.
Natančen nadzor postopka je izrednega pomena, saj vsak material tiska pri drugačni temperaturi. Če bi enega na drugega nanesli ob nepravem času, bi se lahko materiali razmazali.
Ker je njihov stroj lahko tiskal z učinkovitejšim mehkim magnetnim materialom, so elektromagneti dosegli večjo učinkovitost, kot drugielektromagneti, natisnjeni v 3D-tehniki.
Zaradi dodatne natančnosti spremenjenega tiskalnika so lahko izdelali elektromagnete, ki so bili za približno 33 odstotkov manjši od drugih različic, natisnjenih s 3D-tiskalnikom. Več tuljav na manjši površini poveča tudi ojačenje.
Na koncu so njihovi elektromagneti lahko ustvarili magnetno polje, ki je bilo približno trikrat večje od tistega, ki ga lahko dosežejo druge naprave, natisnjene v 3D-tehniki.
To delo sta financirala družba Empiriko Corporation in štipendija fundacije La Caixa.
Vir:
1: https://www.tandfonline.com/doi/full/10.1080/17452759.2024.2310046
