연구원들은 자기 코어가 있는 소형 솔레노이드를 한 번에 인쇄할 수 있도록 다중 재료 3D 프린터를 채택했습니다. 이 접근 방식은 일반적으로 조립 후 단계에서 발생하는 결함 가능성을 제거합니다.
알아야 할 주요 사항 :
- MIT의 3D 프린팅 혁신: MIT 연구원들은 실용적인 자기장을 생성할 수 있는 전자 제품 제조를 크게 변화시킬 수 있는 잠재력을 보여주는 완전히 3D 프린팅된 솔레노이드를 개발했습니다.
- 전자제품 분야 3D 프린팅의 장점: 3D 프린팅, 특히 FDM(Fused Deposition Modeling)은 부품 설계에 탁월한 유연성을 제공하여 복잡한 3D 형상을 구현하고 회로를 제품 인클로저에 통합할 수 있어 잠재적으로 비용과 낭비를 줄일 수 있습니다.
- 획기적인 솔레노이드 설계: MIT 팀의 솔레노이드는 기존 모델보다 더 작고 효율적이며 강력하여 첨단 전자 부품 생산을 위한 3D 프린팅의 타당성을 입증했습니다.
- 미래에 미치는 영향: 3D 프린팅 전자 장치의 발전은 지속 가능한 제조, 저비용 의료 시스템, 심지어 장기 우주 임무에도 중요한 영향을 미칠 수 있습니다. technology의 다양성과 글로벌 영향력에 대한 잠재력.
3D 프린팅의 한계를 뛰어넘는 MIT 연구진은 최근 실용적인 자기장을 생성할 수 있는 완전 3D 프린팅 솔레노이드를 시연했습니다. 인쇄 전자 분야에서 3D 프린팅이 잠재적으로 거대해질 수 있는 이유는 무엇이며, 연구자들은 무엇을 보여 주었으며, 3D 프린팅이 어떻게 전자 제품의 미래가 될 수 있습니까?
3D 프린팅이 잠재적으로 대규모화되는 이유는 무엇입니까?
최초의 전자 부품 개발 이후 모든 종류의 기술을 실현할 수 있는 수많은 제조 기술이 등장했습니다. 레이저 절단을 통해 저항기를 정밀한 저항으로 다듬을 수 있었고, 물리적 기상 증착을 통해 반도체 위에 초박막 층을 형성할 수 있었으며, 고속 정밀 스테퍼 모터 및 서보를 통해 픽 앤 플레이스 기계를 작동할 수 있었습니다. PCB를 채울 때 믿을 수 없는 속도로.
수많은 기술 개발에서 다양한 제조 공정의 중요한 역할에도 불구하고 단일 기술이 포괄적인 솔루션을 제공하지 않습니다. 각각은 구성 요소, 회로 기판 또는 제품을 완성하기 위해 추가 산업 프로세스 및 제조 단계에 의존합니다. 이러한 복잡성은 일반적으로 대량 생산 품목에서는 문제가 되지 않지만, 높은 툴링 비용과 생산 복잡성으로 인해 프로토타입 생산에는 심각한 문제를 야기합니다.
3D 프린팅 기술로 전자공학 발전
대조적으로, 3D 프린팅은 지난 3년 동안 특히 전자 부문에서 눈에 띄는 성장을 보였으며, 이는 많은 전통적인 전자 부품 제조 기술을 대체할 수 있는 잠재력을 갖고 있습니다. 다양한 XNUMXD 프린팅 방법 중에서 FDM(Fused Deposition Modeling)은 인쇄된 부품 제작에 대한 가능성이 가장 높습니다.
간단히 말해서, FDM 프린터는 모델을 층별로 제작합니다. 일반적으로 압출기를 사용하여 일부 재료를 고온에서 증착하여 그 아래의 층과 융합합니다. 여러 개의 노즐과 공급원료를 사용하는 경우 FDM 프린터는 필요에 따라 다양한 재료를 인쇄할 수 있으며 3차원 인쇄 기능으로 인해 모든 재료가 디자인의 어느 위치에나 배치될 수 있습니다.
다중 재료 프린팅의 가장 일반적인 용도는 컬러 필라멘트이므로 프린팅된 모델에 컬러가 적용되어 추가 처리가 필요하지 않습니다. 그러나 이와 동일한 개념을 전자 부품 제작에도 사용할 수 있어 회로를 완전히 맞춤화할 수 있을 뿐만 아니라 3차원 모두에서 구축할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이는 복잡한 3D 형상으로 구성 요소를 만들 수 있다는 것, z 높이와 x 및 y 평면을 최대한 활용합니다. 이는 훨씬 더 밀도가 높은 회로 설계를 허용할 뿐만 아니라, FDM 인쇄 기술을 사용하면 툴링이 필요 없기 때문에 개별 프로토타입 생산 비용을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.
게다가, 이 디자인 컨셉은 또한 제품의 외함에 회로를 내장하기 위한 것, 이를 통해 제품의 구조적 구성 요소를 최대한 활용합니다. 예를 들어 인클로저에는 안테나, 아날로그 회로, 센서 등이 벽 공간 내부에 직접 인쇄되어 PCB 공간이 줄어들고 추가 제조 공정이 필요하지 않게 될 수 있습니다.
MIT 연구진, 3D 프린팅 솔레노이드 제작
MIT는 3D 프린팅 기술의 장점을 인식하고 저비용 의료 시스템과 같은 실제 용도를 찾기 위해 해당 분야를 적극적으로 연구해 왔습니다. 지금, MIT는 3D 프린팅된 솔레노이드를 시연했습니다. 자기장을 생성할 수 있는 것.
실용적인 자기장을 생성할 수 있는 완전한 3D 프린팅 솔레노이드를 만드는 MIT 연구원들의 획기적인 발전은 전자 분야에서 이루어지고 있는 혁신적인 발전의 증거입니다. 팀은 다중 재료 3D 프린터를 수정하여 한 번에 소형 자기 코어 솔레노이드를 프린팅할 수 있었고 조립 후 공정에서 발생할 수 있는 결함을 제거했습니다. 이러한 맞춤화를 통해 솔레노이드가 다른 3D 프린팅 장치보다 3배 더 많은 전류를 견딜 수 있고 XNUMX배 더 큰 자기장을 생성할 수 있었습니다. 이러한 발전은 비용을 크게 낮추고 전자 부품 생산 효율성을 높여 전자 제조에 혁명을 일으킬 수 있는 XNUMXD 프린팅의 잠재력을 보여줍니다.
연구진에 따르면 솔레노이드는 다른 연구자가 인쇄한 다른 솔레노이드에 비해 최대 2배의 입력 전류를 견딜 수 있고 3배의 자기장을 생성할 수 있다고 한다. 또한 솔레노이드 자체는 현재 개발 중인 다른 솔레노이드보다 약 33% 더 작은 것으로 추정되며, 이는 3D 인쇄 전자 장치의 상당한 개선을 보여줍니다.
3D 프린팅 솔레노이드의 혁신적인 디자인을 설명하기 위해 그림 1에서는 솔레노이드 구조의 상세 뷰를 제공하여 XNUMX차원 렌더링 및 분해도를 보여줍니다. 이 시각화에서는 솔레노이드의 향상된 자기장 생성 기능을 달성하는 데 중추적인 역할을 하는 전도성 나선형 및 절연층의 복잡한 배열을 강조합니다.
그림 1 : 3D 프린팅된 적층형 솔레노이드의 묘사: (a) 입체적인 그림과 (b) 전도성 나선형과 절연 재료의 교번 층을 보여주는 자세한 분석입니다.
이 디자인을 달성하기 위해 연구원들은 다양한 재료로 작업할 수 있는 정밀 FDM 프린터를 선택했습니다. 또한 연구자들은 필라멘트 대신 펠릿을 사용할 수 있도록 인쇄 헤드를 수정했습니다. 펠릿을 얻는 것이 훨씬 쉽기 때문입니다. 코어를 생성하는 데 사용되는 자성 나일론 소재의 경우 필라멘트 생산이 사실상 불가능하므로 펠릿에서 인쇄할 수 있으면 설계 복잡성이 줄어들고 프린터가 재료에 더 많이 접근할 수 있습니다.
그림 7은 3차원 모놀리식 3D 프린팅 FeSiAl 나일론 코어 XNUMX층 솔레노이드를 미국 쿼터 옆에 나란히 배치하여 보여줍니다. 이 그림은 수정된 XNUMXD 프린팅 기술로 달성할 수 있는 컴팩트한 크기와 정밀도를 보여주며 전자 부품의 소형화 가능성을 강조합니다.
그림 7 : 3개 층에 걸쳐 있는 FeSiAl 나일론 코어를 갖춘 XNUMX차원 단일 조각 XNUMXD 인쇄 솔레노이드: (a)는 규모 비교를 위해 미국 분기와 함께 평면도를 표시하고 (b)는 미국 분기 위에 배치된 단면도를 나타냅니다.
솔레노이드의 각 층은 나선형 도체, 자기 코어 및 절연층으로 인쇄되어 층이 서로 분리되도록 했습니다. 결합되면 나선은 전자기적 특성을 허용하여 솔레노이드를 구현합니다.
3D 프린팅이 어떻게 전자제품의 미래가 될 수 있을까요?
의심할 여지 없이 3D 프린터는 도구를 사용하지 않고도 무엇이든 제작할 수 있기 때문에 프로토타입 및 소량 생산 분야에서 엄청난 기회를 제공합니다. 그러나 이는 제조 속도가 느리고 전용 개별 구성 요소에 비해 일반적으로 품질이 떨어지기 때문에 대량 생산에 적합하지 않다는 의미이기도 합니다.
그러나 큰 이점을 볼 수 있는 영역 중 하나는 장기 우주 임무. 향후 다른 행성(예: 화성)에 대한 임무의 경우 우주선의 제한된 공간, 임무 기간이 길고 새 부품을 얻을 수 없다는 점은 예비 모듈과 전자 장치를 비축하는 것이 어렵다는 것을 의미합니다.
이러한 발전의 실질적인 의미를 보여주는 그림 10은 본 연구에서 개발된 FeSiAl 나일론 코어 솔레노이드를 포함하여 다양한 코어 재료를 사용하는 솔레노이드의 전류와 코일 상단에서 0.5mm에서의 자기장 강도를 비교합니다. 이 비교는 보다 효율적이고 컴팩트한 전자 장치 개발에 중추적인 자기장 생성의 상당한 개선을 강조합니다.
그림 10 : 완전 0.5D 프린팅 솔레노이드의 코일 상단 위 3mm 자기장 강도와 전류 비교: 2022개 층의 공심 특징(검은색 마커로 표시, PowerMEMS XNUMX) [표창40], 2023개 층의 철 PLA 코어(녹색 마커로 표시, CPEEE XNUMX) [표창41] 및 8개 층의 FeSiAl 나일론 코어(본 연구에서 분홍색 마커로 표시됨).
대신, 그러한 장치를 필요에 따라 인쇄할 수 있다면 원자재만 필요할 것입니다. 이러한 원자재는 다양한 디자인에 사용될 수 있기 때문에 필요한 만큼만 인쇄하는 것이 가능해집니다. 따라서, 그 임무 새로운 통신 보드가 필요하지 않음 하지만 10명의 교체가 필요했습니다 엔진 컨트롤러의 경우 원자재와 프린터만 있으면 이를 쉽게 달성할 수 있습니다.
3D 프린팅은 또한 새로운 장비에 접근하기 어려운 경제적으로 빈곤한 국가에서 저가 전자제품의 핵심이 될 수 있습니다. 프린터 자체는 비용이 많이 들지만 의료용 센서, 장비 및 기타 생명을 구하는 장치를 인쇄하는 기능을 포함하여 무엇이든 인쇄할 수 있는 능력은 엄청난 자유를 제공합니다.
결론
전반적으로 연구원들이 3D 프린팅된 솔레노이드로 시연한 내용은 인상적이며 3D 프린팅된 전자 장치가 가능할 뿐만 아니라 완벽하게 그럴듯하다는 것을 분명히 보여줍니다.
MIT의 3D 프린팅 솔레노이드의 의미는 단순히 보다 효율적인 전자 부품을 만드는 것 이상으로 확장됩니다. 재료 낭비를 줄이고 복잡한 조립 라인이 필요 없이 이러한 솔레노이드를 주문형으로 생산할 수 있는 능력은 지속 가능하고 비용 효율적인 전자 제조를 달성하는 데 3D 프린팅의 역할에 대한 강력한 사례를 제시합니다. 또한 다양한 재료를 활용하는 3D 프린팅 기술의 적응성은 특정 요구 사항에 맞게 전자 부품을 맞춤화할 수 있는 새로운 가능성을 열어 잠재적으로 의료 기기, 가전 제품 및 우주 탐사 기술의 혁신으로 이어질 수 있습니다. 3D 프린팅이 계속해서 발전함에 따라 기술적으로 진보할 뿐만 아니라 환경적으로 책임을 지며 광범위한 창작자와 혁신가가 접근할 수 있는 솔루션을 제공함으로써 실제로 미래 전자 제품의 초석이 될 수 있습니다.