Para penyelidik menyesuaikan pencetak 3D berbilang bahan untuk membolehkan pencetakan satu langkah solenoid padat dengan teras magnet. Pendekatan ini menghapuskan potensi kecacatan yang biasanya diperkenalkan dalam peringkat pasca pemasangan.
Perkara penting yang perlu diketahui:
- Inovasi MIT dalam Percetakan 3D: Penyelidik di MIT telah membangunkan solenoid bercetak 3D sepenuhnya yang mempamerkan potensi untuk mengubah pembuatan elektronik dengan ketara, yang mampu menjana medan magnet yang praktikal.
- Kelebihan Percetakan 3D dalam Elektronik: Percetakan 3D, terutamanya Fused Deposition Modeling (FDM), menawarkan fleksibiliti yang tiada tandingan dalam reka bentuk komponen, membolehkan geometri 3D yang kompleks dan penyepaduan litar ke dalam kepungan produk, yang berpotensi mengurangkan kos dan pembaziran.
- Reka Bentuk Solenoid Terobosan: Solenoid pasukan MIT lebih padat, cekap dan berkuasa daripada model sedia ada, menunjukkan kebolehlaksanaan pencetakan 3D untuk menghasilkan komponen elektronik termaju.
- Implikasi Masa Depan: Kemajuan dalam elektronik bercetak 3D boleh mempunyai implikasi yang ketara untuk pembuatan mampan, sistem perubatan kos rendah, dan juga misi angkasa lepas jangka panjang, yang menonjolkan teknologiserba boleh dan potensi untuk kesan global.
Menolak sempadan percetakan 3D, penyelidik dari MIT baru-baru ini telah menunjukkan solenoid cetakan 3D sepenuhnya yang mampu menjana medan magnet praktikal. Apakah yang menjadikan percetakan 3D berpotensi besar dalam bidang elektronik bercetak, apakah yang ditunjukkan oleh penyelidik, dan bagaimanakah percetakan 3D boleh menjadi masa depan elektronik?
Apakah yang menjadikan percetakan 3D berpotensi besar-besaran?
Sejak pembangunan komponen elektronik pertama, banyak teknologi pembuatan telah muncul yang membolehkan semua jenis teknologi direalisasikan. Pemotongan laser telah membolehkan perintang dipangkas kepada rintangan yang tepat, pemendapan wap fizikal telah membenarkan lapisan ultra-nipis terbentuk di atas semikonduktor, dan motor stepper ketepatan berkelajuan tinggi dan servos membolehkan mesin pilih dan letak beroperasi. pada kelajuan yang sukar dipercayai apabila mengisi PCB.
Walaupun peranan penting pelbagai proses pembuatan dalam pembangunan pelbagai teknologi, tiada teknologi tunggal menawarkan penyelesaian yang komprehensif. Masing-masing bergantung pada proses perindustrian tambahan dan langkah pembuatan untuk melengkapkan komponen, papan litar atau produk. Kerumitan ini biasanya tidak membimbangkan untuk item yang dikeluarkan secara besar-besaran tetapi menimbulkan cabaran yang ketara untuk pengeluaran prototaip disebabkan oleh kos perkakas yang tinggi dan kerumitan pengeluaran.
Memajukan Elektronik dengan Teknologi Pencetakan 3D
Sebaliknya, percetakan 3D telah menyaksikan pertumbuhan yang luar biasa sepanjang dekad yang lalu, terutamanya dalam sektor elektronik, di mana ia mempunyai potensi untuk menggantikan banyak teknologi pembuatan komponen elektronik tradisional. Di antara pelbagai kaedah pencetakan 3D, Fused Deposition Modeling (FDM) menonjolkan janjinya dalam mencipta komponen bercetak.
Ringkasnya, pencetak FDM membina model lapisan demi lapisan, biasanya menggunakan penyemperit untuk mendepositkan beberapa bahan pada suhu tinggi supaya ia bercantum dengan lapisan di bawahnya. Jika berbilang muncung dan bahan suapan digunakan, pencetak FDM boleh mencetak bahan yang berbeza mengikut keperluan, dan disebabkan keupayaan untuk mencetak dalam 3 dimensi, sebarang bahan boleh diletakkan di mana-mana dalam reka bentuk.
Penggunaan yang paling biasa bagi percetakan berbilang bahan ialah filamen berwarna, supaya model cetakan diwarnakan, tidak memerlukan pemprosesan tambahan. Walau bagaimanapun, adalah amat dijangkakan bahawa konsep yang sama ini juga boleh digunakan untuk mencipta komponen elektronik, membolehkan litar bukan sahaja boleh disesuaikan sepenuhnya, tetapi dibina dalam ketiga-tiga dimensi.
Ini bermaksud bahawa komponen boleh dibuat daripada geometri 3D yang kompleks, memanfaatkan sepenuhnya ketinggian z serta satah x dan y. Ini bukan sahaja membolehkan reka bentuk litar yang lebih padat dengan ketara, tetapi penggunaan teknologi percetakan FDM boleh membantu mengurangkan kos menghasilkan prototaip individu, kerana tiada keperluan untuk sebarang perkakas.
Tambahan pula, konsep reka bentuk ini juga membolehkan untuk litar dibenamkan ke dalam kepungan produk, dengan itu memanfaatkan sepenuhnya komponen struktur produk. Sebagai contoh, penutup boleh mempunyai antena, litar analog, penderia dan banyak lagi yang dicetak terus di dalam rongga dinding, mengurangkan ruang PCB dan menghapuskan keperluan untuk proses pembuatan tambahan.
Penyelidik MIT mencipta solenoid bercetak 3D
Menyedari kelebihan dalam teknologi percetakan 3D, MIT telah secara aktif menyelidik bidang untuk mencuba dan mencari kegunaan dunia sebenar, seperti sistem perubatan kos rendah. sekarang, MIT telah menunjukkan solenoid bercetak 3D yang mampu menghasilkan medan magnet.
Kejayaan penyelidik MIT dalam mencipta solenoid bercetak 3D sepenuhnya yang boleh menjana medan magnet praktikal adalah bukti kepada kemajuan inovatif yang dibuat dalam bidang elektronik. Dengan mengubah suai pencetak 3D berbilang bahan, pasukan itu dapat mencetak solenoid berteras magnet padat dalam satu langkah, menghapuskan kecacatan yang mungkin diperkenalkan semasa proses pasca pemasangan. Penyesuaian ini membolehkan solenoid menahan arus elektrik dua kali lebih banyak dan menjana medan magnet tiga kali lebih besar daripada peranti bercetak 3D yang lain. Kemajuan sedemikian boleh mengurangkan kos dengan ketara dan meningkatkan kecekapan menghasilkan komponen elektronik, mempamerkan potensi percetakan 3D untuk merevolusikan pembuatan elektronik.
Menurut penyelidik, solenoid mampu menahan sehingga 2 kali ganda arus masukan dan menghasilkan 3 kali ganda medan magnet berbanding solenoid lain yang dicetak oleh penyelidik lain. Tambahan pula, solenoid itu sendiri dianggarkan sekitar 33% lebih kecil daripada yang lain yang sedang dibangunkan, menunjukkan peningkatan ketara dalam elektronik bercetak 3D.
Untuk menggambarkan reka bentuk inovatif solenoid bercetak 3D, Rajah 1 memberikan pandangan terperinci tentang struktur solenoid, mempamerkan paparan tiga dimensi dan pandangan meletup. Visualisasi ini menyerlahkan susunan rumit bagi lingkaran konduktif dan lapisan penebat, yang penting dalam mencapai keupayaan penjanaan medan magnet solenoid yang dipertingkatkan.
Rajah 1: Gambaran Solenoid Berlapis Bercetak 3D: (a) ilustrasi tiga dimensi dan (b) pecahan terperinci, menggambarkan lapisan berselang-seli bagi lingkaran konduktif dan bahan penebat.
Untuk mencapai reka bentuk ini, para penyelidik beralih kepada pencetak FDM ketepatan yang mampu berfungsi dengan pelbagai bahan. Selain itu, penyelidik mengubah suai kepala percetakan supaya ia boleh berfungsi dengan pelet dan bukannya filamen, kerana pelet lebih mudah diperoleh. Dalam kes bahan nilon magnetik yang digunakan untuk mencipta teras, menghasilkan filamen adalah hampir mustahil, jadi mempunyai keupayaan untuk mencetak daripada pelet mengurangkan kerumitan reka bentuk sambil memberikan pencetak lebih banyak akses kepada bahan.
Rajah 7 mempamerkan solenoid lapan lapis FeSiAl Nylon berteras FeSiAl cetakan monolitik tiga dimensi, disandingkan di sebelah suku AS untuk skala. Angka ini menunjukkan saiz padat dan ketepatan yang boleh dicapai dengan teknik cetakan 3D yang diubah suai, menggariskan potensi pengecilan dalam komponen elektronik.
Rajah 7: Solenoid Cetakan 3D Tiga Dimensi Satu Keping dengan Teras Nilon FeSiAl, Menjangkau Lapan Lapisan: (a) memaparkan paparan teratas bersama suku AS untuk perbandingan skala, dan (b) membentangkan pandangan keratan diletakkan pada suku AS.
Setiap lapisan solenoid dicetak dengan konduktor lingkaran, teras magnet, dan lapisan penebat untuk memastikan lapisan dipisahkan antara satu sama lain. Apabila digabungkan, lingkaran membenarkan sifat elektromagnet, dengan itu merealisasikan solenoid.
Bagaimanakah percetakan 3D boleh menjadi masa depan elektronik?
Tidak dinafikan, pencetak 3D memberikan peluang besar dalam bidang prototaip dan pengeluaran volum rendah kerana keupayaan mereka untuk membina apa-apa tanpa memerlukan sebarang perkakas. Walau bagaimanapun, ini juga bermakna bahawa mereka kurang sesuai untuk pengeluaran besar-besaran kerana kelajuan pembuatannya yang perlahan dan kualiti secara amnya lebih teruk berbanding dengan komponen diskret khusus.
Walau bagaimanapun, satu bidang yang boleh melihat faedah utama ialah misi angkasa lepas jangka panjang. Dalam kes misi masa depan ke planet lain (seperti Marikh), ruang terhad pada kraf, tempoh misi yang panjang dan ketidakupayaan untuk mendapatkan alat ganti baharu bermakna menyimpan modul ganti dan elektronik akan mencabar.
Menunjukkan implikasi praktikal daripada kemajuan ini, Rajah 10 membandingkan kekuatan medan magnet pada 0.5mm dari atas gegelung berbanding arus untuk solenoid dengan bahan teras yang berbeza, termasuk solenoid berteras FeSiAl Nylon yang dibangunkan dalam kerja ini. Perbandingan ini menyerlahkan peningkatan ketara dalam penjanaan medan magnet, yang penting untuk pembangunan peranti elektronik yang lebih cekap dan padat.
Rajah 10: Perbandingan Kekuatan Medan Magnet 0.5 mm Di Atas Atas Gegelung Melawan Arus untuk Solenoid Bercetak 3D Sepenuhnya: Menampilkan teras udara dengan sepuluh lapisan (ditunjukkan oleh penanda hitam, PowerMEMS 2022) [Petikan40], teras PLA besi dengan lapan lapisan (ditunjukkan dengan penanda hijau, CPEEE 2023) [Petikan41], dan FeSiAl Nylon-core dengan lapan lapisan (diwakili oleh penanda merah jambu, daripada kajian ini).
Sebaliknya, jika peranti sedemikian boleh dicetak mengikut keperluan, maka hanya bahan mentah yang diperlukan. Oleh kerana bahan mentah ini boleh digunakan untuk pelbagai reka bentuk, ia menjadi mungkin untuk mencetak apa yang diperlukan apabila ia diperlukan. Oleh itu, misi yang tidak pernah memerlukan papan komunikasi baharu tetapi memerlukan sepuluh pengganti kerana pengawal enjin boleh mencapai ini dengan mudah hanya dengan bahan mentah dan pencetak.
Percetakan 3D juga boleh menjadi kunci kepada elektronik kos rendah di negara-negara yang kurang ekonomi di mana akses kepada peralatan baharu adalah mencabar. Walaupun pencetak itu sendiri mahal, keupayaannya untuk mencetak apa sahaja memberikan kebebasan yang besar, termasuk keupayaan untuk mencetak penderia perubatan, peralatan dan peranti menyelamatkan nyawa yang lain.
Kesimpulan
Secara keseluruhannya, apa yang telah ditunjukkan oleh penyelidik dengan solenoid bercetak 3D mereka adalah mengagumkan, dan jelas menunjukkan bahawa elektronik bercetak 3D bukan sahaja mungkin, tetapi sangat munasabah.
Implikasi solenoid bercetak 3D MIT melangkaui hanya penciptaan komponen elektronik yang lebih cekap. Keupayaan untuk menghasilkan solenoid atas permintaan ini, dengan sisa bahan yang dikurangkan dan tanpa memerlukan barisan pemasangan yang kompleks, memberikan kes yang menarik untuk peranan percetakan 3D dalam mencapai pembuatan elektronik yang mampan dan kos efektif. Tambahan pula, kebolehsuaian teknologi percetakan 3D untuk menggunakan pelbagai bahan membuka kemungkinan baharu untuk menyesuaikan komponen elektronik kepada keperluan khusus, yang berpotensi membawa kepada inovasi dalam peranti perubatan, elektronik pengguna, dan juga teknologi penerokaan angkasa lepas. Apabila pencetakan 3D terus berkembang, ia sememangnya boleh menjadi asas elektronik masa hadapan, menawarkan penyelesaian yang bukan sahaja maju dari segi teknologi tetapi juga bertanggungjawab terhadap alam sekitar dan boleh diakses oleh rangkaian pencipta dan inovator yang lebih luas.