Os pesquisadores adaptaram uma impressora 3D multimaterial para permitir a impressão em uma única etapa de solenóides compactos com núcleos magnéticos. Essa abordagem elimina o potencial de defeitos normalmente introduzidos nos estágios pós-montagem.
Principais coisas a saber:
- Inovação do MIT em impressão 3D: Pesquisadores do MIT desenvolveram um solenóide totalmente impresso em 3D que apresenta potencial para alterar significativamente a fabricação de eletrônicos, capaz de gerar um campo magnético prático.
- Vantagens da impressão 3D em eletrônica: A impressão 3D, especialmente a Modelagem por Deposição Fundida (FDM), oferece flexibilidade incomparável no design de componentes, permitindo geometrias 3D complexas e a integração de circuitos em invólucros de produtos, reduzindo potencialmente custos e desperdícios.
- Design inovador de solenóide: O solenóide da equipe do MIT é mais compacto, eficiente e poderoso do que os modelos existentes, demonstrando a viabilidade da impressão 3D para a produção de componentes eletrônicos avançados.
- Implicações futuras: Os avanços na eletrônica impressa em 3D podem ter implicações significativas para a fabricação sustentável, sistemas médicos de baixo custo e até mesmo missões espaciais de longo prazo, destacando o tecnologiaversatilidade e potencial de impacto global.
Ultrapassando os limites da impressão 3D, pesquisadores do MIT demonstraram recentemente um solenóide totalmente impresso em 3D capaz de gerar um campo magnético prático. O que torna a impressão 3D potencialmente massiva no campo da eletrónica impressa, o que demonstraram os investigadores e como poderá a impressão 3D tornar-se o futuro da eletrónica?
O que torna a impressão 3D potencialmente massiva?
Desde o desenvolvimento dos primeiros componentes eletrônicos, surgiram inúmeras tecnologias de fabricação que permitem a realização de todos os tipos de tecnologia. O corte a laser permitiu que os resistores fossem ajustados para resistências precisas, a deposição física de vapor permitiu a formação de camadas ultrafinas sobre os semicondutores e os motores de passo e servos de precisão de alta velocidade permitem que máquinas pick-and-place operem em velocidades inacreditáveis ao preencher PCBs.
Apesar do papel crucial dos vários processos de fabricação no desenvolvimento de inúmeras tecnologias, nenhuma tecnologia oferece uma solução abrangente. Cada um depende de processos industriais e etapas de fabricação adicionais para completar um componente, placa de circuito ou produto. Essa complexidade normalmente não é uma preocupação para itens produzidos em massa, mas representa desafios significativos para a produção de protótipos devido aos altos custos de ferramentas e às complexidades de produção.
Avanços na eletrônica com tecnologia de impressão 3D
Em contraste, a impressão 3D registou um crescimento notável na última década, particularmente no sector eletrónico, onde tem potencial para substituir muitas tecnologias tradicionais de fabrico de componentes eletrónicos. Dentre os diversos métodos de impressão 3D, o Fused Deposition Modeling (FDM) se destaca por sua promessa na criação de componentes impressos.
Simplificando, as impressoras FDM constroem modelos camada por camada, geralmente usando uma extrusora para depositar algum material em alta temperatura para que ele se funda com as camadas abaixo dele. Se forem utilizados vários bicos e matéria-prima, torna-se possível para uma impressora FDM imprimir diferentes materiais conforme necessário e, devido à capacidade de imprimir em 3 dimensões, qualquer material pode ser localizado em qualquer lugar de um design.
O uso mais comum de impressão em múltiplos materiais é o filamento colorido, de modo que os modelos impressos são coloridos, sem necessidade de processamento adicional. No entanto, é altamente esperado que este mesmo conceito também possa ser usado para criar componentes eletrônicos, permitindo que os circuitos não apenas sejam totalmente personalizáveis, mas também construídos em todas as três dimensões.
Isto significa que os componentes poderiam ser feitos de geometrias 3D complexas, aproveitando ao máximo a altura z, bem como os planos x e y. Isto não só permite projetos de circuitos significativamente mais densos, mas o uso da tecnologia de impressão FDM poderia ajudar a reduzir o custo de produção de protótipos individuais, já que não há necessidade de ferramentas.
Além disso, este conceito de design também permite para circuitos a serem incorporados no invólucro de um produto, aproveitando ao máximo os componentes estruturais de um produto. Por exemplo, os gabinetes podem ter antenas, circuitos analógicos, sensores e muito mais impressos diretamente dentro das cavidades da parede, reduzindo o espaço na PCB e eliminando a necessidade de processos de fabricação adicionais.
Pesquisadores do MIT criam solenóide impresso em 3D
Reconhecendo as vantagens das tecnologias de impressão 3D, o MIT tem pesquisado ativamente a área para tentar encontrar usos no mundo real, como sistemas médicos de baixo custo. Agora, MIT demonstrou um solenóide impresso em 3D que é capaz de produzir um campo magnético.
O avanço dos pesquisadores do MIT na criação de um solenóide totalmente impresso em 3D que pode gerar um campo magnético prático é uma prova dos avanços inovadores feitos no campo da eletrônica. Ao modificar uma impressora 3D multimaterial, a equipe conseguiu imprimir solenóides compactos com núcleo magnético em uma única etapa, eliminando defeitos que poderiam ser introduzidos durante os processos pós-montagem. Essa personalização permitiu que os solenóides suportassem o dobro da corrente elétrica e gerassem um campo magnético três vezes maior do que outros dispositivos impressos em 3D. Tais avanços poderiam reduzir significativamente os custos e aumentar a eficiência da produção de componentes eletrônicos, mostrando o potencial da impressão 3D para revolucionar a fabricação de eletrônicos.
Segundo os pesquisadores, o solenóide é capaz de suportar até 2 vezes a corrente de entrada e produzir 3 vezes o campo magnético em comparação com outros solenóides impressos por outro pesquisador. Além disso, estima-se que o solenóide em si seja cerca de 33% menor do que outros atualmente em desenvolvimento, demonstrando uma melhoria significativa na eletrônica impressa em 3D.
Para ilustrar o design inovador do solenóide impresso em 3D, a Figura 1 fornece uma visão detalhada da estrutura do solenóide, mostrando a renderização tridimensional e a vista explodida. Esta visualização destaca o intrincado arranjo de espirais condutoras e camadas de isolamento, fundamental para alcançar as capacidades aprimoradas de geração de campo magnético do solenóide.
Figura 1: Representação de um solenóide em camadas impresso em 3D: (a) uma ilustração tridimensional e (b) uma análise detalhada, ilustrando as camadas alternadas de espirais condutoras e materiais isolantes.
Para alcançar esse projeto, os pesquisadores recorreram a uma impressora FDM de precisão capaz de trabalhar com diversos materiais. Além disso, os pesquisadores modificaram a cabeça de impressão para que pudesse funcionar com pellets em vez de filamentos, já que os pellets são muito mais fáceis de obter. No caso do material de náilon magnético usado para criar o núcleo, a produção de filamento é praticamente impossível, portanto, ter a capacidade de imprimir a partir de pellets reduz a complexidade do projeto, ao mesmo tempo que dá à impressora mais acesso aos materiais.
A Figura 7 mostra um solenóide de oito camadas com núcleo de nylon FeSiAl monoliticamente impresso em 3D, tridimensional, justaposto ao lado de um quarto dos EUA para escala. Esta figura exemplifica o tamanho compacto e a precisão alcançável com a técnica de impressão 3D modificada, ressaltando o potencial de miniaturização em componentes eletrônicos.
Figura 7: Um solenóide tridimensional impresso em 3D de peça única com núcleo de nylon FeSiAl, abrangendo oito camadas: (a) exibe uma vista superior ao lado de um trimestre dos EUA para comparação de escala e (b) apresenta uma vista em corte colocada sobre um quarto dos EUA.
Cada camada do solenóide foi impressa com um condutor espiral, um núcleo magnético e uma camada isolante para manter as camadas separadas umas das outras. Quando combinadas, as espirais permitem propriedades eletromagnéticas, concretizando assim o solenóide.
Como a impressão 3D poderia se tornar o futuro da eletrônica?
Sem dúvida, as impressoras 3D apresentam uma enorme oportunidade no campo dos protótipos e da produção de baixo volume devido à sua capacidade de construir qualquer coisa sem necessitar de qualquer ferramenta. No entanto, isto também significa que são menos adequados para produção em massa devido à sua lenta velocidade de fabrico e geralmente à pior qualidade em comparação com componentes discretos dedicados.
No entanto, uma área que poderia ver grandes benefícios é missões espaciais de longo prazo. No caso de futuras missões para outros planetas (como Marte), o espaço limitado nas naves, a longa duração da missão e a incapacidade de obter novas peças significam que será um desafio armazenar módulos sobressalentes e componentes eletrónicos.
Demonstrando as implicações práticas desses avanços, a Figura 10 compara a intensidade do campo magnético a 0.5 mm do topo da bobina versus a corrente para solenóides com diferentes materiais de núcleo, incluindo o solenóide com núcleo de nylon FeSiAl desenvolvido neste trabalho. Esta comparação destaca as melhorias significativas na geração de campo magnético, fundamentais para o desenvolvimento de dispositivos eletrônicos mais eficientes e compactos.
Figura 10: Comparação da intensidade do campo magnético 0.5 mm acima do topo da bobina contra a corrente para solenóides totalmente impressos em 3D: Apresentando núcleo de ar com dez camadas (indicado por marcadores pretos, PowerMEMS 2022) [Quote40], núcleo de PLA de ferro com oito camadas (mostrado com marcadores verdes, CPEEE 2023) [Quote41], e FeSiAl Nylon-core com oito camadas (representadas por marcadores rosa, deste estudo).
Em vez disso, se tais dispositivos pudessem ser impressos conforme necessário, apenas as matérias-primas seriam necessárias. Como essas matérias-primas podem ser utilizadas para diversos designs, torna-se possível imprimir o que é necessário, conforme necessário. Por isso, uma missão que nunca precisei de um novo quadro de comunicações mas precisou de dez substituições para um controlador de motor poderia facilmente conseguir isso apenas com as matérias-primas e uma impressora.
A impressão 3D também pode ser a chave para a electrónica de baixo custo em países economicamente desfavorecidos, onde o acesso a novos equipamentos é um desafio. Embora a impressora em si seja cara, sua capacidade de imprimir qualquer coisa proporciona uma imensa liberdade, incluindo a capacidade de imprimir sensores médicos, equipamentos e outros dispositivos que salvam vidas.
Conclusão
No geral, o que os investigadores demonstraram com o seu solenóide impresso em 3D é impressionante e mostra claramente que a eletrónica impressa em 3D não é apenas possível, mas perfeitamente plausível.
As implicações dos solenóides impressos em 3D do MIT vão além da simples criação de componentes eletrônicos mais eficientes. A capacidade de produzir estes solenóides sob demanda, com desperdício reduzido de material e sem a necessidade de linhas de montagem complexas, apresenta um argumento convincente para o papel da impressão 3D na obtenção de uma fabricação eletrônica sustentável e econômica. Além disso, a adaptabilidade da tecnologia de impressão 3D para utilizar uma variedade de materiais abre novas possibilidades de personalização de componentes eletrónicos para necessidades específicas, conduzindo potencialmente a inovações em dispositivos médicos, eletrónica de consumo e até mesmo em tecnologias de exploração espacial. À medida que a impressão 3D continua a evoluir, poderá de facto tornar-se uma pedra angular da electrónica do futuro, oferecendo soluções que não são apenas tecnologicamente avançadas, mas também ambientalmente responsáveis e acessíveis a uma gama mais ampla de criadores e inovadores.