החוקרים התאימו מדפסת תלת מימד מרובת חומרים כדי לאפשר הדפסה חד-שלבית של סולנואידים קומפקטיים עם ליבות מגנטיות. גישה זו מסירה את הפוטנציאל לליקויים המוצגים בדרך כלל בשלבים שלאחר ההרכבה.
דברים מרכזיים שכדאי לדעת:
- החדשנות של MIT בהדפסת תלת מימד: חוקרים ב-MIT פיתחו סולנואיד מודפס בתלת-ממד המציג את הפוטנציאל לשנות באופן משמעותי את ייצור האלקטרוניקה, המסוגל ליצור שדה מגנטי מעשי.
- היתרונות של הדפסת תלת מימד באלקטרוניקה: הדפסת תלת מימד, במיוחד מודלים של פיוזד Deposition (FDM), מציעה גמישות חסרת תקדים בתכנון הרכיבים, המאפשרת גיאומטריות תלת מימדיות מורכבות ושילוב מעגלים במארזי מוצרים, מה שעלול להפחית עלויות ובזבוז.
- עיצוב סולנואיד פורץ דרך: הסולנואיד של צוות MIT הוא קומפקטי, יעיל וחזק יותר מהדגמים הקיימים, מה שמדגים את ההיתכנות של הדפסת תלת מימד לייצור רכיבים אלקטרוניים מתקדמים.
- השלכות עתידיות: להתקדמות בתחום האלקטרוניקה המודפסת בתלת מימד עשויות להיות השלכות משמעותיות על ייצור בר קיימא, מערכות רפואיות בעלות נמוכה ואפילו משימות חלל ארוכות טווח, תוך הדגשת טֶכנוֹלוֹגִיָההרבגוניות והפוטנציאל להשפעה גלובלית של.
דוחפים את הגבולות של הדפסת תלת מימד, חוקרים מ-MIT הדגימו לאחרונה סולנואיד מודפס בתלת מימד המסוגל ליצור שדה מגנטי מעשי. מה הופך הדפסת תלת מימד למאסיבית בפוטנציה בתחום האלקטרוניקה המודפסת, מה הדגימו החוקרים וכיצד הדפסת תלת מימד יכולה להפוך לעתיד האלקטרוניקה?
מה הופך הדפסת תלת מימד למאסיבית?
מאז הפיתוח של הרכיבים האלקטרוניים הראשונים, צצו טכנולוגיות ייצור רבות המאפשרות מימוש כל מיני טכנולוגיות. חיתוך בלייזר איפשר לקצץ נגדים להתנגדויות מדויקות, שקיעת אדים פיזית אפשרה ליצור שכבות דקות במיוחד על גבי מוליכים למחצה, ומנועי צעד וסרוו בעלי דיוק מהירים מאפשרים הפעלת מכונות איסוף ומקום. במהירויות לא ייאמן בעת אכלוס PCBs.
למרות התפקיד המכריע של תהליכי ייצור שונים בפיתוח של טכנולוגיות רבות, אף טכנולוגיה אחת לא מציעה פתרון מקיף. כל אחד מהם מסתמך על תהליכים תעשייתיים נוספים ושלבי ייצור להשלמת רכיב, מעגל או מוצר. מורכבות זו אינה מהווה בדרך כלל דאגה לפריטים בייצור המוני, אך מציבה אתגרים משמעותיים לייצור אב טיפוס עקב עלויות כלי עבודה גבוהות ומורכבות ייצור.
קידום אלקטרוניקה עם טכנולוגיית הדפסה תלת מימדית
לעומת זאת, הדפסת תלת מימד ראתה צמיחה מדהימה בעשור האחרון, במיוחד בתחום האלקטרוניקה, שם יש לה פוטנציאל להחליף טכנולוגיות ייצור רכיבים אלקטרוניים מסורתיים רבים. בין שיטות ההדפסה התלת-ממדיות השונות, בולטת מודלים של פיוזד Deposition (FDM) בהבטחתה ביצירת רכיבים מודפסים.
במילים פשוטות, מדפסות FDM בונות דגמים שכבה אחר שכבה, בדרך כלל באמצעות אקסטרודר כדי להפקיד חומר כלשהו בטמפרטורה גבוהה כך שהוא מתמזג עם שכבות מתחתיו. אם נעשה שימוש במספר חרירים וחומר הזנה, מתאפשר למדפסת FDM להדפיס חומרים שונים לפי הצורך, ובשל היכולת להדפיס ב-3 מימדים, כל חומר יכול להיות ממוקם בכל מקום בעיצוב.
השימוש הנפוץ ביותר בהדפסת חומרים מרובים הוא נימה צבעונית, כך שדגמים מודפסים הם צבעוניים, ללא צורך בעיבוד נוסף. עם זאת, צפוי מאוד שאותו רעיון זה יכול לשמש גם ליצירת רכיבים אלקטרוניים, המאפשרים למעגלים לא רק להיות ניתנים להתאמה אישית מלאה, אלא להיבנות בכל שלושת הממדים.
משמעות הדבר הוא שרכיבים יכולים להיות עשויים מגיאומטריות תלת ממדיות מורכבות, תוך ניצול מלא של גובה z כמו גם מישורי x ו-y. לא רק שזה מאפשר עיצובי מעגלים צפופים יותר באופן משמעותי, אלא שהשימוש בטכנולוגיית הדפסה FDM יכול לעזור להפחית את העלות של ייצור אבות טיפוס בודדים, מכיוון שאין צורך בכלי עבודה.
יתר על כן, קונספט עיצובי זה מאפשר גם למעגלים שיוטמעו במארז של מוצר, ובכך להפיק את המרב מהרכיבים המבניים של מוצר. לדוגמה, למארזים יכולים להיות אנטנות, מעגלים אנלוגיים, חיישנים ועוד הרבה מודפסים ישירות בתוך חללי הקיר, מה שמפחית את שטח ה-PCB ומבטל את הצורך בתהליכי ייצור נוספים.
חוקרי MIT יוצרים סולנואיד מודפס בתלת מימד
מתוך זיהוי היתרונות בטכנולוגיות הדפסת תלת מימד, MIT חוקרת באופן פעיל את התחום כדי לנסות ולמצוא שימושים בעולם האמיתי, כגון מערכות רפואיות בעלות נמוכה. עַכשָׁיו, MIT הדגימה סולנואיד מודפס בתלת מימד שמסוגל לייצר שדה מגנטי.
פריצת הדרך של חוקרי MIT ביצירת סולנואיד מלא בהדפסה תלת-ממדית שיכול ליצור שדה מגנטי מעשי היא עדות לצעדים החדשניים שנעשו בתחום האלקטרוניקה. על ידי שינוי מדפסת תלת מימד מרובת חומרים, הצוות הצליח להדפיס סולנואידים קומפקטיים עם ליבות מגנטיות בשלב אחד, ולבטל פגמים שעלולים להופיע במהלך תהליכים לאחר ההרכבה. התאמה אישית זו אפשרה לסולנואידים לעמוד פי שניים בזרם חשמלי ולייצר שדה מגנטי גדול פי שלושה ממכשירים אחרים המודפסים בתלת מימד. התקדמות כזו עשויה להוזיל משמעותית את העלות ולהגדיל את היעילות של ייצור רכיבים אלקטרוניים, ולהציג את הפוטנציאל של הדפסת תלת מימד לחולל מהפכה בייצור האלקטרוניקה.
לדברי החוקרים, הסולנואיד מסוגל לעמוד עד פי 2 מזרם הכניסה ולייצר פי 3 מהשדה המגנטי בהשוואה לסולנואידים אחרים שהודפסו על ידי חוקר אחר. יתר על כן, הסולנואיד עצמו מוערך כקטן בכ-33% מאחרים הנמצאים כעת בפיתוח, מה שמוכיח שיפור משמעותי באלקטרוניקה המודפסת בתלת מימד.
כדי להמחיש את העיצוב החדשני של הסולנואיד המודפס בתלת מימד, איור 3 מספק תצוגה מפורטת של מבנה הסולנואיד, המציג את העיבוד התלת מימדי ואת התצוגה המפוצצת. הדמיה זו מדגישה את הסידור המורכב של ספירלות מוליכות ושכבות בידוד, עיקריות בהשגת יכולות יצירת השדה המגנטי המשופרות של הסולנואיד.
איור 1: תיאור של סולנואיד שכבות מודפס בתלת מימד: (a) איור תלת מימדי ו (b) פירוט מפורט, הממחיש את השכבות המתחלפות של ספירלות מוליכות וחומרי בידוד.
כדי להשיג עיצוב זה, החוקרים פנו למדפסת FDM מדויקת המסוגלת לעבוד עם חומרים מרובים. בנוסף, החוקרים שינו את ראש ההדפסה כך שיוכל לעבוד עם כדורים במקום נימה, מכיוון שקל הרבה יותר להשיג כדורים. במקרה של חומר הניילון המגנטי המשמש ליצירת הליבה, הפקת נימה היא כמעט בלתי אפשרית, כך שהיכולת להדפיס מכדורים מפחיתה את מורכבות העיצוב תוך מתן גישה למדפסת יותר לחומרים.
איור 7 מציג סולנואיד בעל שמונה שכבות של FeSiAl, בעל ליבות ניילון, תלת מימד, המונוליטי, המוצב לצד רובע אמריקאי לצורך קנה מידה. נתון זה מדגים את הגודל הקומפקטי ואת הדיוק שניתן להשיג עם טכניקת ההדפסה התלת-ממדית המותאמת, ומדגיש את הפוטנציאל למזעור ברכיבים אלקטרוניים.
איור 7: סולנואיד תלת מימדי מודפס תלת מימד עם ליבת ניילון FeSiAl המשתרעת על שמונה שכבות: (a) מציג תצוגה עליונה לצד רבעון בארה"ב לצורך השוואת קנה מידה, ו(b) מציג תצוגת חתך על פני רבעון בארה"ב.
כל שכבה של הסולנואיד הודפסה עם מוליך ספירלה, ליבה מגנטית ושכבת בידוד כדי לשמור על הפרדה בין שכבות. בשילוב, הספירלות מאפשרות תכונות אלקטרומגנטיות, ובכך מממשות את הסולנואיד.
איך הדפסת תלת מימד יכולה להפוך לעתיד האלקטרוניקה?
ללא ספק, מדפסות תלת מימד מציגות הזדמנות מסיבית בתחום אבות הטיפוס וייצור בנפחים נמוכים בשל יכולתן לבנות כל דבר ללא צורך בכלי עבודה. עם זאת, זה גם אומר שהם פחות מתאימים לייצור המוני בגלל מהירות הייצור האיטית שלהם ובדרך כלל האיכות הגרועה יותר בהשוואה לרכיבים בדידים ייעודיים.
עם זאת, תחום אחד שיכול לראות יתרונות גדולים הוא משימות חלל ארוכות טווח. במקרה של משימות עתידיות לכוכבי לכת אחרים (כגון מאדים), השטח המוגבל במלאכות, משך המשימה הארוך וחוסר היכולת להשיג חלקים חדשים גורמים לכך שמלאי מודולים רזרבי ואלקטרוניקה יהיה מאתגר.
בהדגמת ההשלכות המעשיות של ההתקדמות הללו, איור 10 משווה את עוצמת השדה המגנטי ב-0.5 מ"מ מראש הסליל לעומת זרם עבור סולנואידים עם חומרי ליבה שונים, כולל הסולנואיד בעל ליבות הניילון FeSiAl שפותח בעבודה זו. השוואה זו מדגישה את השיפורים המשמעותיים ביצירת שדה מגנטי, חיוני לפיתוח מכשירים אלקטרוניים יעילים וקומפקטיים יותר.
איור 10: השוואה של חוזק שדה מגנטי 0.5 מ"מ מעל לראש הסליל נגד זרם עבור סולנואידים בהדפסה מלאה בתלת מימד: כולל ליבת אוויר עם עשר שכבות (מסומן על ידי סמנים שחורים, PowerMEMS 3) [ציטוט 40], ליבת PLA מברזל עם שמונה שכבות (מוצג עם סמנים ירוקים, CPEEE 2023) [ציטוט 41], וליבת ניילון FeSiAl עם שמונה שכבות (מיוצגות על ידי סמנים ורודים, ממחקר זה).
במקום זאת, אם ניתן היה להדפיס מכשירים כאלה לפי הצורך, אז יהיה צורך רק בחומרי הגלם. מכיוון שניתן להשתמש בחומרי גלם אלה עבור עיצובים רבים, ניתן להדפיס את מה שנדרש לפי הצורך. לכן, משימה ש מעולם לא דרש לוח תקשורת חדש אבל נזקק לעשרה תחליפים עבור בקר מנוע יכול בקלות להשיג זאת רק עם חומרי הגלם ומדפסת.
הדפסת תלת מימד יכולה להיות גם המפתח לאלקטרוניקה זולה במדינות מקופחות כלכלית שבהן הגישה לציוד חדש היא מאתגרת. בעוד שהמדפסת עצמה תהיה יקרה, היכולת שלה להדפיס כל דבר מעניקה מידה עצומה של חופש, כולל היכולת להדפיס חיישנים רפואיים, ציוד והתקנים מצילי חיים אחרים.
סיכום
בסך הכל, מה שהחוקרים הדגימו עם הסולנואיד המודפס בתלת-ממד שלהם מרשים, ומראה בבירור כי אלקטרוניקה מודפסת תלת-ממדית היא לא רק אפשרית, אלא סבירה לחלוטין.
ההשלכות של הסולנואידים המודפסים בתלת-ממד של MIT משתרעות מעבר ליצירת רכיבים אלקטרוניים יעילים יותר. היכולת לייצר סולנואידים אלה לפי דרישה, עם מופחתת בזבוז חומר וללא צורך בקווי ייצור מורכבים, מציגה מקרה משכנע לתפקידה של הדפסת תלת מימד בהשגת ייצור אלקטרוניקה בר קיימא וחסכוני. יתרה מזאת, יכולת ההסתגלות של טכנולוגיית הדפסת תלת מימד לשימוש במגוון חומרים פותחת אפשרויות חדשות להתאמה אישית של רכיבים אלקטרוניים לצרכים ספציפיים, מה שעלול להוביל לחידושים במכשירים רפואיים, מוצרי צריכה אלקטרוניים, ואפילו טכנולוגיות חקר החלל. ככל שהדפסת תלת מימד ממשיכה להתפתח, היא אכן עשויה להפוך לאבן יסוד של האלקטרוניקה העתידית, להציע פתרונות שהם לא רק מתקדמים טכנולוגית אלא גם אחראיים לסביבה ונגישים למגוון רחב יותר של יוצרים ומחדשים.