Para peneliti mengadaptasi printer 3D multimaterial untuk memungkinkan pencetakan satu langkah solenoida kompak dengan inti magnetik. Pendekatan ini menghilangkan potensi cacat yang biasanya muncul pada tahap pasca-perakitan.
Hal-hal penting yang perlu diketahui:
- Inovasi MIT dalam Pencetakan 3D: Para peneliti di MIT telah mengembangkan solenoid yang sepenuhnya dicetak 3D yang menunjukkan potensi untuk mengubah manufaktur elektronik secara signifikan, yang mampu menghasilkan medan magnet praktis.
- Keuntungan Pencetakan 3D dalam Elektronika: Pencetakan 3D, khususnya Fused Deposition Modeling (FDM), menawarkan fleksibilitas tak tertandingi dalam desain komponen, memungkinkan geometri 3D yang kompleks dan integrasi sirkuit ke dalam lingkup produk, sehingga berpotensi mengurangi biaya dan limbah.
- Desain Solenoid Terobosan: Solenoida tim MIT lebih kompak, efisien, dan bertenaga dibandingkan model yang ada, menunjukkan kelayakan pencetakan 3D untuk memproduksi komponen elektronik canggih.
- Implikasi Masa Depan: Kemajuan dalam bidang elektronik cetak 3D dapat memiliki implikasi yang signifikan terhadap manufaktur berkelanjutan, sistem medis berbiaya rendah, dan bahkan misi luar angkasa jangka panjang, yang menyoroti teknologifleksibilitas dan potensi dampak global.
Mendorong batas-batas pencetakan 3D, para peneliti dari MIT baru-baru ini mendemonstrasikan solenoid cetak 3D yang mampu menghasilkan medan magnet praktis. Apa yang membuat pencetakan 3D berpotensi menjadi besar di bidang elektronik cetak, apa yang ditunjukkan oleh para peneliti, dan bagaimana pencetakan 3D bisa menjadi masa depan elektronik?
Apa yang membuat pencetakan 3D berpotensi menjadi besar?
Sejak pengembangan komponen elektronik pertama, banyak teknologi manufaktur telah bermunculan yang memungkinkan semua jenis teknologi direalisasikan. Pemotongan laser memungkinkan resistor dipangkas hingga resistansinya tepat, pengendapan uap fisik memungkinkan terbentuknya lapisan ultra-tipis di atas semikonduktor, dan motor stepper serta servo presisi berkecepatan tinggi memungkinkan mesin pick-and-place beroperasi. dengan kecepatan luar biasa saat mengisi PCB.
Meskipun berbagai proses manufaktur berperan penting dalam pengembangan berbagai teknologi, tidak ada satu teknologi pun yang menawarkan solusi komprehensif. Masing-masing bergantung pada proses industri tambahan dan langkah-langkah manufaktur untuk menyelesaikan komponen, papan sirkuit, atau produk. Kompleksitas ini biasanya tidak menjadi masalah bagi barang-barang yang diproduksi secara massal namun menimbulkan tantangan yang signifikan bagi produksi prototipe karena tingginya biaya perkakas dan kerumitan produksi.
Memajukan Elektronika dengan Teknologi Percetakan 3D
Sebaliknya, pencetakan 3D telah mengalami pertumbuhan luar biasa selama dekade terakhir, khususnya di sektor elektronik, yang berpotensi menggantikan banyak teknologi manufaktur komponen elektronik tradisional. Di antara berbagai metode pencetakan 3D, Fused Deposition Modeling (FDM) menonjol karena janjinya dalam membuat komponen cetakan.
Sederhananya, printer FDM membangun model lapis demi lapis, biasanya menggunakan ekstruder untuk menyimpan beberapa material pada suhu tinggi sehingga menyatu dengan lapisan di bawahnya. Jika beberapa nosel dan bahan baku digunakan, printer FDM dapat mencetak bahan berbeda sesuai kebutuhan, dan karena kemampuan mencetak dalam 3 dimensi, bahan apa pun dapat ditempatkan di mana saja dalam desain.
Penggunaan pencetakan multi-bahan yang paling umum adalah filamen berwarna, sehingga model cetakan berwarna, tidak memerlukan pemrosesan tambahan. Namun, sangat diantisipasi bahwa konsep yang sama juga dapat digunakan untuk membuat komponen elektronik, sehingga sirkuit tidak hanya dapat disesuaikan sepenuhnya, namun juga dibangun dalam tiga dimensi.
Ini berarti bahwa komponen dapat dibuat dari geometri 3D yang kompleks, memanfaatkan sepenuhnya ketinggian z serta bidang x dan y. Hal ini tidak hanya memungkinkan desain sirkuit yang jauh lebih padat, namun penggunaan teknologi pencetakan FDM dapat membantu mengurangi biaya produksi prototipe individual, karena tidak memerlukan perkakas apa pun.
Selain itu, konsep desain ini juga memungkinkan untuk sirkuit yang akan tertanam ke dalam penutup produk, sehingga memaksimalkan komponen struktural suatu produk. Misalnya, penutup dapat memiliki antena, sirkuit analog, sensor, dan banyak lagi yang dicetak langsung di dalam rongga dinding, sehingga mengurangi ruang PCB dan menghilangkan kebutuhan akan proses produksi tambahan.
Peneliti MIT membuat solenoid cetak 3D
Menyadari keunggulan teknologi pencetakan 3D, MIT telah secara aktif meneliti bidang tersebut untuk mencoba dan menemukan kegunaannya di dunia nyata, seperti sistem medis berbiaya rendah. Sekarang, MIT telah mendemonstrasikan solenoid cetak 3D yang mampu menghasilkan medan magnet.
Terobosan para peneliti MIT dalam menciptakan solenoid yang sepenuhnya dicetak 3D yang dapat menghasilkan medan magnet praktis merupakan bukti kemajuan inovatif yang dilakukan di bidang elektronik. Dengan memodifikasi printer 3D multimaterial, tim dapat mencetak solenoid kompak dengan inti magnetik dalam satu langkah, menghilangkan cacat yang mungkin terjadi selama proses pasca-perakitan. Kustomisasi ini memungkinkan solenoida menahan arus listrik dua kali lebih banyak dan menghasilkan medan magnet tiga kali lebih besar dibandingkan perangkat cetak 3D lainnya. Kemajuan tersebut dapat menurunkan biaya secara signifikan dan meningkatkan efisiensi produksi komponen elektronik, sehingga menunjukkan potensi pencetakan 3D untuk merevolusi manufaktur elektronik.
Menurut peneliti, solenoid tersebut mampu menahan arus masukan hingga 2 kali lipat dan menghasilkan medan magnet 3 kali lipat dibandingkan solenoid lain yang dicetak peneliti lain. Selain itu, solenoid itu sendiri diperkirakan berukuran sekitar 33% lebih kecil dibandingkan solenoid lain yang sedang dikembangkan, hal ini menunjukkan peningkatan yang signifikan dalam perangkat elektronik pencetakan 3D.
Untuk mengilustrasikan desain inovatif solenoid cetak 3D, Gambar 1 memberikan tampilan detail struktur solenoid, menampilkan rendering tiga dimensi dan tampilan ledakan. Visualisasi ini menyoroti susunan rumit spiral konduktif dan lapisan insulasi, yang sangat penting dalam mencapai kemampuan pembangkitan medan magnet yang ditingkatkan pada solenoid.
Gambar 1: Penggambaran Solenoid Berlapis Cetak 3D: (a) ilustrasi tiga dimensi dan (b) rincian rinci, mengilustrasikan lapisan spiral konduktif dan bahan isolasi yang berselang-seling.
Untuk mencapai desain ini, para peneliti beralih ke printer FDM presisi yang mampu bekerja dengan banyak material. Selain itu, para peneliti memodifikasi kepala cetak agar dapat bekerja dengan pelet, bukan filamen, karena pelet jauh lebih mudah diperoleh. Dalam kasus bahan nilon magnetik yang digunakan untuk membuat inti, produksi filamen hampir tidak mungkin dilakukan, sehingga kemampuan mencetak dari pelet mengurangi kerumitan desain sekaligus memberi printer lebih banyak akses ke bahan.
Gambar 7 menampilkan solenoid delapan lapis berinti Nilon FeSiAl monolitik tiga dimensi yang dicetak secara 3D, disandingkan dengan skala seperempat AS. Gambar ini menunjukkan ukuran ringkas dan presisi yang dapat dicapai dengan teknik pencetakan 3D yang dimodifikasi, yang menggarisbawahi potensi miniaturisasi komponen elektronik.
Gambar 7: Solenoid Cetak 3D Satu Bagian Tiga Dimensi dengan Inti Nilon FeSiAl, Mencakup Delapan Lapisan: (a) menampilkan tampilan atas di samping seperempat AS untuk perbandingan skala, dan (b) menyajikan tampilan bagian yang ditempatkan pada seperempat AS.
Setiap lapisan solenoid dicetak dengan konduktor spiral, inti magnet, dan lapisan isolasi untuk menjaga lapisan terpisah satu sama lain. Ketika digabungkan, spiral memungkinkan adanya sifat elektromagnetik, sehingga mewujudkan solenoid.
Bagaimana pencetakan 3D bisa menjadi masa depan elektronik?
Tidak diragukan lagi, printer 3D menghadirkan peluang besar di bidang prototipe dan produksi bervolume rendah karena kemampuannya untuk membuat apa pun tanpa memerlukan perkakas apa pun. Namun, ini juga berarti bahwa komponen tersebut kurang cocok untuk produksi massal karena kecepatan produksinya yang lambat dan kualitasnya secara umum lebih buruk dibandingkan dengan komponen terpisah khusus.
Namun, satu bidang yang dapat merasakan manfaat besar adalah misi luar angkasa jangka panjang. Dalam kasus misi di masa depan ke planet lain (seperti Mars), terbatasnya ruang pada pesawat, durasi misi yang lama, dan ketidakmampuan untuk mendapatkan suku cadang baru berarti bahwa menyimpan modul cadangan dan perangkat elektronik akan menjadi tantangan tersendiri.
Mendemonstrasikan implikasi praktis dari kemajuan ini, Gambar 10 membandingkan kekuatan medan magnet pada 0.5 mm dari bagian atas kumparan versus arus untuk solenoid dengan bahan inti berbeda, termasuk solenoid berinti Nilon FeSiAl yang dikembangkan dalam penelitian ini. Perbandingan ini menyoroti peningkatan signifikan dalam pembangkitan medan magnet, yang penting untuk pengembangan perangkat elektronik yang lebih efisien dan ringkas.
Gambar 10: Perbandingan Kekuatan Medan Magnet 0.5 mm Di Atas Bagian Atas Kumparan Terhadap Arus untuk Solenoid Cetak 3D Sepenuhnya: Menampilkan inti udara dengan sepuluh lapisan (ditunjukkan dengan spidol hitam, PowerMEMS 2022) [Kutipan40], inti besi PLA dengan delapan lapisan (ditunjukkan dengan spidol hijau, CPEEE 2023) [Kutipan41], dan inti Nilon FeSiAl dengan delapan lapisan (diwakili oleh spidol merah muda, dari penelitian ini).
Sebaliknya, jika alat tersebut bisa dicetak sesuai kebutuhan, maka yang dibutuhkan hanyalah bahan mentahnya saja. Karena bahan mentah ini dapat digunakan untuk berbagai desain, maka dimungkinkan untuk mencetak apa yang dibutuhkan sesuai kebutuhan. Dengan demikian, sebuah misi itu tidak pernah membutuhkan papan komunikasi baru tapi butuh sepuluh pengganti karena pengontrol mesin dapat dengan mudah mencapai hal ini hanya dengan bahan mentah dan printer.
Pencetakan 3D juga bisa menjadi kunci bagi perangkat elektronik berbiaya rendah di negara-negara yang ekonominya lemah dimana akses terhadap peralatan baru sangat sulit. Meskipun printer itu sendiri mahal, kemampuannya untuk mencetak apa pun memberikan kebebasan yang sangat besar, termasuk kemampuan untuk mencetak sensor medis, peralatan, dan perangkat penyelamat nyawa lainnya.
Kesimpulan
Secara keseluruhan, apa yang telah ditunjukkan oleh para peneliti dengan solenoid cetak 3D mereka sangat mengesankan, dan jelas menunjukkan bahwa elektronik cetak 3D tidak hanya mungkin dilakukan, tetapi juga sangat masuk akal.
Implikasi dari solenoid cetak 3D MIT lebih dari sekedar penciptaan komponen elektronik yang lebih efisien. Kemampuan untuk memproduksi solenoida sesuai permintaan, dengan pengurangan limbah material dan tanpa memerlukan jalur perakitan yang rumit, memberikan contoh menarik mengenai peran pencetakan 3D dalam mencapai manufaktur elektronik yang berkelanjutan dan hemat biaya. Selain itu, kemampuan adaptasi teknologi pencetakan 3D dalam memanfaatkan berbagai bahan membuka kemungkinan baru untuk menyesuaikan komponen elektronik dengan kebutuhan spesifik, yang berpotensi mengarah pada inovasi pada perangkat medis, elektronik konsumen, dan bahkan teknologi eksplorasi ruang angkasa. Seiring dengan terus berkembangnya pencetakan 3D, pencetakan XNUMXD dapat menjadi landasan elektronik masa depan, menawarkan solusi yang tidak hanya berteknologi maju namun juga bertanggung jawab terhadap lingkungan dan dapat diakses oleh lebih banyak pencipta dan inovator.