I ricercatori hanno adattato una stampante 3D multimateriale per consentire la stampa in un solo passaggio di solenoidi compatti con nuclei magnetici. Questo approccio elimina il rischio di difetti tipicamente introdotti nelle fasi successive all'assemblaggio.
Cose fondamentali da sapere:
- L'innovazione del MIT nella stampa 3D: I ricercatori del MIT hanno sviluppato un solenoide completamente stampato in 3D che mostra il potenziale di alterare in modo significativo la produzione elettronica, in grado di generare un campo magnetico pratico.
- Vantaggi della stampa 3D nel settore elettronico: La stampa 3D, in particolare la modellazione a deposizione fusa (FDM), offre una flessibilità senza precedenti nella progettazione dei componenti, consentendo geometrie 3D complesse e l'integrazione di circuiti negli involucri del prodotto, riducendo potenzialmente costi e sprechi.
- Design innovativo del solenoide: Il solenoide del team del MIT è più compatto, efficiente e potente rispetto ai modelli esistenti, dimostrando la fattibilità della stampa 3D per la produzione di componenti elettronici avanzati.
- Implicazioni future: I progressi nell’elettronica stampata in 3D potrebbero avere implicazioni significative per la produzione sostenibile, i sistemi medici a basso costo e persino le missioni spaziali a lungo termine, evidenziando la tecnologiala versatilità e il potenziale di impatto globale di .
Spingendo i confini della stampa 3D, i ricercatori del MIT hanno recentemente dimostrato un solenoide completamente stampato in 3D in grado di generare un campo magnetico pratico. Cosa rende la stampa 3D potenzialmente massiccia nel campo dell’elettronica stampata, cosa hanno dimostrato i ricercatori e come potrebbe la stampa 3D diventare il futuro dell’elettronica?
Cosa rende la stampa 3D potenzialmente massiccia?
Dallo sviluppo dei primi componenti elettronici sono emerse numerose tecnologie di produzione che consentono la realizzazione di tutti i tipi di tecnologia. Il taglio laser ha consentito di adattare i resistori a resistenze precise, la deposizione fisica di vapore ha consentito la formazione di strati ultrasottili sopra i semiconduttori e motori passo-passo e servo di precisione ad alta velocità consentono il funzionamento di macchine pick-and-place. a velocità incredibili durante il popolamento dei PCB.
Nonostante il ruolo cruciale dei vari processi produttivi nello sviluppo di numerose tecnologie, nessuna singola tecnologia offre una soluzione completa. Ciascuno fa affidamento su ulteriori processi industriali e fasi di produzione per completare un componente, un circuito stampato o un prodotto. Questa complessità non è tipicamente un problema per gli articoli prodotti in serie, ma pone sfide significative per la produzione di prototipi a causa degli elevati costi di attrezzatura e delle complessità della produzione.
Avanzare nell'elettronica con la tecnologia di stampa 3D
Al contrario, la stampa 3D ha registrato una crescita notevole negli ultimi dieci anni, in particolare nel settore dell’elettronica, dove ha il potenziale per sostituire molte tecnologie tradizionali di produzione di componenti elettronici. Tra i vari metodi di stampa 3D, la Fused Deposition Modeling (FDM) si distingue per la sua promessa nella creazione di componenti stampati.
In poche parole, le stampanti FDM costruiscono modelli strato per strato, solitamente utilizzando un estrusore per depositare del materiale ad alta temperatura in modo che si fonda con gli strati sottostanti. Se vengono utilizzati più ugelli e materie prime, diventa possibile per una stampante FDM stampare materiali diversi secondo necessità e, grazie alla capacità di stampare in 3 dimensioni, qualsiasi materiale può essere posizionato ovunque nel progetto.
L'uso più comune della stampa su più materiali è il filamento colorato, in modo che i modelli stampati siano colorati e non richiedano alcuna elaborazione aggiuntiva. Tuttavia, si prevede che questo stesso concetto possa essere utilizzato anche per creare componenti elettronici, consentendo ai circuiti non solo di essere completamente personalizzabili, ma di essere costruiti in tutte e tre le dimensioni.
Questo mezzo quei componenti potrebbero essere realizzati con geometrie 3D complesse, sfruttando appieno l'altezza z e i piani xey. Ciò non solo consente progettazioni di circuiti significativamente più densi, ma l’uso della tecnologia di stampa FDM potrebbe aiutare a ridurre i costi di produzione dei singoli prototipi, poiché non sono necessarie attrezzature.
Inoltre, questo concetto di design consente anche per circuiti da incorporare nella custodia di un prodotto, sfruttando così al meglio le componenti strutturali di un prodotto. Ad esempio, gli involucri potrebbero avere antenne, circuiti analogici, sensori e molto altro ancora stampati direttamente all'interno delle cavità delle pareti, riducendo lo spazio sul PCB ed eliminando la necessità di ulteriori processi di produzione.
I ricercatori del MIT creano un solenoide stampato in 3D
Riconoscendo i vantaggi delle tecnologie di stampa 3D, il MIT ha svolto attivamente ricerche sul campo per cercare di trovare usi nel mondo reale, come sistemi medici a basso costo. Ora, Il MIT ha dimostrato un solenoide stampato in 3D capace di produrre un campo magnetico.
La svolta dei ricercatori del MIT nella creazione di un solenoide completamente stampato in 3D in grado di generare un campo magnetico pratico è una testimonianza dei passi avanti innovativi compiuti nel campo dell’elettronica. Modificando una stampante 3D multimateriale, il team è stato in grado di stampare solenoidi compatti con nucleo magnetico in un unico passaggio, eliminando i difetti che potrebbero essere introdotti durante i processi di post-assemblaggio. Questa personalizzazione ha consentito ai solenoidi di resistere al doppio della corrente elettrica e di generare un campo magnetico tre volte più grande rispetto ad altri dispositivi stampati in 3D. Tali progressi potrebbero ridurre significativamente i costi e aumentare l’efficienza della produzione di componenti elettronici, dimostrando il potenziale della stampa 3D nel rivoluzionare la produzione elettronica.
Secondo i ricercatori, il solenoide è in grado di sopportare fino a 2 volte la corrente in ingresso e produrre 3 volte il campo magnetico rispetto ad altri solenoidi stampati da altri ricercatori. Inoltre, si stima che il solenoide stesso sia circa il 33% più piccolo rispetto ad altri attualmente in fase di sviluppo, dimostrando un miglioramento significativo nell’elettronica stampata in 3D.
Per illustrare il design innovativo del solenoide stampato in 3D, la Figura 1 fornisce una vista dettagliata della struttura del solenoide, mostrando il rendering tridimensionale e la vista esplosa. Questa visualizzazione evidenzia la complessa disposizione di spirali conduttive e strati isolanti, fondamentali per ottenere le capacità avanzate di generazione del campo magnetico del solenoide.
Figura 1: Rappresentazione di un solenoide a strati stampato in 3D: (a) un'illustrazione tridimensionale e (b) una scomposizione dettagliata, che illustra l'alternanza di strati di spirali conduttrici e materiali isolanti.
Per realizzare questo progetto, i ricercatori si sono rivolti a una stampante FDM di precisione in grado di lavorare con più materiali. Inoltre, i ricercatori hanno modificato la testina di stampa in modo che potesse funzionare con pellet invece che con filamenti, poiché i pellet sono molto più facili da ottenere. Nel caso del materiale in nylon magnetico utilizzato per creare il nucleo, produrre filamento è praticamente impossibile, quindi avere la possibilità di stampare da pellet riduce la complessità della progettazione offrendo allo stesso tempo alla stampante un maggiore accesso ai materiali.
La Figura 7 mostra un solenoide tridimensionale a otto strati con nucleo in nylon FeSiAl stampato monoliticamente in 3D, giustapposto accanto a un quarto degli Stati Uniti per la scala. Questa figura esemplifica le dimensioni compatte e la precisione ottenibile con la tecnica di stampa 3D modificata, sottolineando il potenziale di miniaturizzazione dei componenti elettronici.
Figura 7: Un solenoide tridimensionale stampato in 3D in un unico pezzo con un nucleo in nylon FeSiAl, che si estende su otto strati: (a) mostra una vista dall'alto accanto a un trimestre statunitense per il confronto su scala e (b) presenta una vista in sezione su un trimestre statunitense.
Ogni strato del solenoide è stato stampato con un conduttore a spirale, un nucleo magnetico e uno strato isolante per mantenere gli strati separati l'uno dall'altro. Se combinate, le spirali consentono proprietà elettromagnetiche, realizzando così il solenoide.
In che modo la stampa 3D potrebbe diventare il futuro dell’elettronica?
Indubbiamente, le stampanti 3D rappresentano un’enorme opportunità nel campo dei prototipi e della produzione a basso volume grazie alla loro capacità di costruire qualsiasi cosa senza richiedere alcun utensile. Tuttavia, ciò significa anche che sono meno adatti alla produzione di massa a causa della loro bassa velocità di produzione e della qualità generalmente peggiore rispetto ai componenti discreti dedicati.
Tuttavia, un’area che potrebbe vedere grandi benefici è missioni spaziali a lungo termine. Nel caso di future missioni su altri pianeti (come Marte), lo spazio limitato sui velivoli, la lunga durata della missione e l’impossibilità di ottenere nuove parti significano che immagazzinare moduli ed elettronica di riserva sarà una sfida.
Dimostrando le implicazioni pratiche di questi progressi, la Figura 10 mette a confronto l'intensità del campo magnetico a 0.5 mm dalla parte superiore della bobina rispetto alla corrente per solenoidi con diversi materiali del nucleo, incluso il solenoide con nucleo in nylon FeSiAl sviluppato in questo lavoro. Questo confronto evidenzia i miglioramenti significativi nella generazione del campo magnetico, fondamentale per lo sviluppo di dispositivi elettronici più efficienti e compatti.
Figura 10: Confronto dell'intensità del campo magnetico 0.5 mm sopra la parte superiore della bobina rispetto alla corrente per solenoidi completamente stampati in 3D: dotato di nucleo in aria con dieci strati (indicato da pennarelli neri, PowerMEMS 2022) [Citazione40], nucleo in ferro PLA con otto strati (mostrato con contrassegni verdi, CPEEE 2023) [Citazione41] e nucleo in nylon FeSiAl con otto strati (rappresentati da marcatori rosa, da questo studio).
Invece, se tali dispositivi potessero essere stampati secondo necessità, allora sarebbero necessarie solo le materie prime. Poiché queste materie prime possono essere utilizzate per numerosi progetti, diventa possibile stampare ciò che serve quando serve. Così, una missione che non ha mai richiesto una nuova scheda di comunicazione ma necessitavano di dieci sostituzioni poiché un controller del motore potrebbe facilmente raggiungere questo obiettivo solo con le materie prime e una stampante.
La stampa 3D potrebbe anche essere la chiave per l’elettronica a basso costo nelle nazioni economicamente svantaggiate dove l’accesso a nuove attrezzature è difficile. Sebbene la stampante stessa sia costosa, la sua capacità di stampare qualsiasi cosa offre un’immensa libertà, inclusa la possibilità di stampare sensori medici, apparecchiature e altri dispositivi salvavita.
Conclusione
Nel complesso, ciò che i ricercatori hanno dimostrato con il loro solenoide stampato in 3D è impressionante e mostra chiaramente che l’elettronica stampata in 3D non è solo possibile, ma perfettamente plausibile.
Le implicazioni dei solenoidi stampati in 3D del MIT vanno oltre la semplice creazione di componenti elettronici più efficienti. La capacità di produrre questi solenoidi su richiesta, con un ridotto spreco di materiale e senza la necessità di complesse linee di assemblaggio, rappresenta un argomento convincente a favore del ruolo della stampa 3D nel raggiungimento di una produzione elettronica sostenibile ed economicamente vantaggiosa. Inoltre, l’adattabilità della tecnologia di stampa 3D all’utilizzo di una varietà di materiali apre nuove possibilità per personalizzare i componenti elettronici in base a esigenze specifiche, portando potenzialmente a innovazioni nei dispositivi medici, nell’elettronica di consumo e persino nelle tecnologie di esplorazione spaziale. Man mano che la stampa 3D continua ad evolversi, potrebbe effettivamente diventare una pietra angolare dell’elettronica del futuro, offrendo soluzioni non solo tecnologicamente avanzate ma anche responsabili dal punto di vista ambientale e accessibili a una gamma più ampia di creatori e innovatori.