Los investigadores adaptaron una impresora 3D multimaterial para permitir la impresión en un solo paso de solenoides compactos con núcleos magnéticos. Este enfoque elimina la posibilidad de que se produzcan defectos que normalmente se introducen en las etapas posteriores al montaje.
Cosas clave que debe saber:
- La innovación del MIT en impresión 3D: Investigadores del MIT han desarrollado un solenoide totalmente impreso en 3D que muestra el potencial de alterar significativamente la fabricación de productos electrónicos, capaz de generar un campo magnético práctico.
- Ventajas de la impresión 3D en electrónica: La impresión 3D, en particular el modelado por deposición fundida (FDM), ofrece una flexibilidad incomparable en el diseño de componentes, lo que permite geometrías 3D complejas y la integración de circuitos en carcasas de productos, lo que reduce potencialmente los costos y el desperdicio.
- Diseño innovador de solenoide: El solenoide del equipo del MIT es más compacto, eficiente y potente que los modelos existentes, lo que demuestra la viabilidad de la impresión 3D para producir componentes electrónicos avanzados.
- Implicaciones futuras: Los avances en la electrónica impresa en 3D podrían tener implicaciones significativas para la fabricación sostenible, los sistemas médicos de bajo costo e incluso las misiones espaciales a largo plazo, destacando la la tecnologíaLa versatilidad y el potencial de impacto global de.
Investigadores del MIT han ampliado los límites de la impresión 3D y han demostrado recientemente un solenoide totalmente impreso en 3D capaz de generar un campo magnético práctico. ¿Qué hace que la impresión 3D sea potencialmente masiva en el campo de la electrónica impresa, qué demostraron los investigadores y cómo podría convertirse la impresión 3D en el futuro de la electrónica?
¿Qué hace que la impresión 3D sea potencialmente masiva?
Desde el desarrollo de los primeros componentes electrónicos, han surgido numerosas tecnologías de fabricación que permiten realizar todo tipo de tecnología. El corte por láser ha permitido recortar resistencias a resistencias precisas, la deposición física de vapor ha permitido que se formen capas ultrafinas sobre los semiconductores, y los motores paso a paso y servos de precisión de alta velocidad permiten el funcionamiento de máquinas de recogida y colocación. a velocidades increíbles al poblar PCB.
A pesar del papel crucial que desempeñan diversos procesos de fabricación en el desarrollo de numerosas tecnologías, ninguna tecnología ofrece por sí sola una solución integral. Cada uno depende de procesos industriales y pasos de fabricación adicionales para completar un componente, placa de circuito o producto. Esta complejidad no suele ser una preocupación para los artículos producidos en masa, pero plantea desafíos importantes para la producción de prototipos debido a los altos costos de herramientas y las complejidades de la producción.
Avances en la electrónica con tecnología de impresión 3D
Por el contrario, la impresión 3D ha experimentado un crecimiento notable durante la última década, particularmente en el sector electrónico, donde tiene el potencial de reemplazar muchas tecnologías tradicionales de fabricación de componentes electrónicos. Entre los diversos métodos de impresión 3D, el modelado por deposición fundida (FDM) destaca por su promesa en la creación de componentes impresos.
En pocas palabras, las impresoras FDM construyen modelos capa por capa, generalmente usando una extrusora para depositar algo de material a alta temperatura para que se fusione con las capas debajo. Si se utilizan múltiples boquillas y materia prima, es posible que una impresora FDM imprima diferentes materiales según sea necesario y, debido a la capacidad de imprimir en 3 dimensiones, cualquier material puede ubicarse en cualquier lugar de un diseño.
El uso más común de la impresión con múltiples materiales es el filamento de color, de modo que los modelos impresos son de color y no requieren procesamiento adicional. Sin embargo, se anticipa que este mismo concepto también podría usarse para crear componentes electrónicos, permitiendo que los circuitos no sólo sean completamente personalizables, sino que se construyan en las tres dimensiones.
Esto significa que los componentes podrían estar hechos de geometrías 3D complejas, aprovechando al máximo la altura z así como los planos xey. Esto no sólo permite diseños de circuitos significativamente más densos, sino que el uso de la tecnología de impresión FDM podría ayudar a reducir el coste de producción de prototipos individuales, ya que no se necesitan herramientas.
Además, este concepto de diseño también permite para circuitos que se integrarán en la carcasa de un producto, aprovechando así al máximo los componentes estructurales de un producto. Por ejemplo, los gabinetes podrían tener antenas, circuitos analógicos, sensores y mucho más impresos directamente dentro de las cavidades de la pared, lo que reduce el espacio de la PCB y elimina la necesidad de procesos de fabricación adicionales.
Investigadores del MIT crean un solenoide impreso en 3D
Al reconocer las ventajas de las tecnologías de impresión 3D, el MIT ha estado investigando activamente este campo para intentar encontrar usos en el mundo real, como sistemas médicos de bajo costo. Ahora, El MIT ha demostrado un solenoide impreso en 3D que es capaz de producir un campo magnético.
El avance de los investigadores del MIT en la creación de un solenoide totalmente impreso en 3D que puede generar un campo magnético práctico es un testimonio de los avances innovadores que se están logrando en el campo de la electrónica. Al modificar una impresora 3D multimaterial, el equipo pudo imprimir solenoides compactos con núcleo magnético en un solo paso, eliminando defectos que podrían introducirse durante los procesos posteriores al ensamblaje. Esta personalización permitió a los solenoides resistir el doble de corriente eléctrica y generar un campo magnético tres veces mayor que otros dispositivos impresos en 3D. Estos avances podrían reducir significativamente el costo y aumentar la eficiencia de la producción de componentes electrónicos, mostrando el potencial de la impresión 3D para revolucionar la fabricación de productos electrónicos.
Según los investigadores, el solenoide es capaz de soportar hasta 2 veces la corriente de entrada y producir 3 veces el campo magnético en comparación con otros solenoides impresos por otros investigadores. Además, se estima que el solenoide en sí es alrededor de un 33 % más pequeño que otros actualmente en desarrollo, lo que demuestra una mejora significativa en la electrónica impresa en 3D.
Para ilustrar el diseño innovador del solenoide impreso en 3D, la Figura 1 proporciona una vista detallada de la estructura del solenoide, que muestra la representación tridimensional y la vista explosionada. Esta visualización resalta la intrincada disposición de espirales conductoras y capas de aislamiento, fundamentales para lograr las capacidades mejoradas de generación de campo magnético del solenoide.
Figura 1: Representación de un solenoide en capas impreso en 3D: (a) una ilustración tridimensional y (b) un desglose detallado que ilustra las capas alternas de espirales conductoras y materiales aislantes.
Para lograr este diseño, los investigadores recurrieron a una impresora FDM de precisión capaz de trabajar con múltiples materiales. Además, los investigadores modificaron el cabezal de impresión para que pudiera funcionar con gránulos en lugar de filamentos, ya que los gránulos son mucho más fáciles de obtener. En el caso del material de nailon magnético utilizado para crear el núcleo, producir filamento es prácticamente imposible, por lo que tener la capacidad de imprimir a partir de pellets reduce la complejidad del diseño y al mismo tiempo le da a la impresora más acceso a los materiales.
La Figura 7 muestra un solenoide tridimensional de ocho capas con núcleo de nailon FeSiAl, impreso monolíticamente en 3D, yuxtapuesto junto a una moneda de veinticinco centavos de EE. UU. a escala. Esta cifra ejemplifica el tamaño compacto y la precisión que se puede lograr con la técnica de impresión 3D modificada, lo que subraya el potencial de miniaturización de los componentes electrónicos.
Figura 7: Un solenoide tridimensional impreso en 3D de una sola pieza con un núcleo de nailon FeSiAl que abarca ocho capas: (a) muestra una vista superior junto a una moneda de veinticinco centavos de EE. UU. para comparar la escala, y (b) presenta una vista en sección sobre una cuarta parte de Estados Unidos.
Cada capa del solenoide se imprimió con un conductor en espiral, un núcleo magnético y una capa aislante para mantener las capas separadas entre sí. Cuando se combinan, las espirales permiten propiedades electromagnéticas, realizando así el solenoide.
¿Cómo podría la impresión 3D convertirse en el futuro de la electrónica?
Sin duda, las impresoras 3D presentan una gran oportunidad en el campo de los prototipos y la producción de bajo volumen debido a su capacidad para construir cualquier cosa sin necesidad de herramientas. Sin embargo, esto también significa que son menos adecuados para la producción en masa debido a su lenta velocidad de fabricación y, en general, a su peor calidad en comparación con los componentes discretos dedicados.
Sin embargo, un área que podría obtener mayores beneficios es misiones espaciales a largo plazo. En el caso de futuras misiones a otros planetas (como Marte), el espacio limitado en las naves, la larga duración de la misión y la imposibilidad de conseguir piezas nuevas significan que almacenar módulos y componentes electrónicos de repuesto será un desafío.
Para demostrar las implicaciones prácticas de estos avances, la Figura 10 compara la intensidad del campo magnético a 0.5 mm de la parte superior de la bobina con la corriente para solenoides con diferentes materiales de núcleo, incluido el solenoide con núcleo de nailon FeSiAl desarrollado en este trabajo. Esta comparación destaca las importantes mejoras en la generación de campos magnéticos, fundamentales para el desarrollo de dispositivos electrónicos más eficientes y compactos.
Figura 10: Comparación de la intensidad del campo magnético a 0.5 mm por encima de la parte superior de la bobina frente a la corriente para solenoides totalmente impresos en 3D: con núcleo de aire con diez capas (indicado por marcadores negros, PowerMEMS 2022) [Citación40], núcleo de PLA de hierro con ocho capas (se muestra con marcadores verdes, CPEEE 2023) [Citación41], y núcleo de nailon FeSiAl con ocho capas (representado por marcadores rosas, de este estudio).
En cambio, si dichos dispositivos pudieran imprimirse según fuera necesario, entonces sólo se necesitarían las materias primas. Como estas materias primas se pueden utilizar para numerosos diseños, es posible imprimir lo que se necesita cuando se necesita. De este modo, una misión que nunca necesitó un nuevo tablero de comunicaciones pero necesitaba diez reemplazos Un controlador de motor podría lograrlo fácilmente con solo las materias primas y una impresora.
La impresión 3D también podría ser la clave para la electrónica de bajo costo en países económicamente desfavorecidos donde el acceso a nuevos equipos es un desafío. Si bien la impresora en sí sería costosa, su capacidad para imprimir cualquier cosa brinda una inmensa libertad, incluida la capacidad de imprimir sensores, equipos y otros dispositivos que salvan vidas médicos.
Conclusión
En general, lo que los investigadores han demostrado con su solenoide impreso en 3D es impresionante y muestra claramente que la electrónica impresa en 3D no sólo es posible, sino perfectamente plausible.
Las implicaciones de los solenoides impresos en 3D del MIT se extienden más allá de la simple creación de componentes electrónicos más eficientes. La capacidad de producir estos solenoides bajo demanda, con un desperdicio de material reducido y sin la necesidad de líneas de montaje complejas, presenta un argumento convincente para el papel de la impresión 3D en el logro de una fabricación de productos electrónicos sostenible y rentable. Además, la adaptabilidad de la tecnología de impresión 3D para utilizar una variedad de materiales abre nuevas posibilidades para personalizar componentes electrónicos según necesidades específicas, lo que podría conducir a innovaciones en dispositivos médicos, electrónica de consumo e incluso tecnologías de exploración espacial. A medida que la impresión 3D continúa evolucionando, podría convertirse en una piedra angular de la electrónica del futuro, ofreciendo soluciones que no sólo sean tecnológicamente avanzadas sino también ambientalmente responsables y accesibles para una gama más amplia de creadores e innovadores.