Исследователи адаптировали 3D-принтер, работающий из нескольких материалов, для одношаговой печати компактных соленоидов с магнитными сердечниками. Такой подход исключает вероятность возникновения дефектов, обычно возникающих на этапах после сборки.
Ключевые вещи, которые нужно знать:
- Инновации MIT в 3D-печати: Исследователи из Массачусетского технологического института разработали соленоид, полностью напечатанный на 3D-принтере, который демонстрирует потенциал значительного изменения производства электроники и способен генерировать практическое магнитное поле.
- Преимущества 3D-печати в электронике: 3D-печать, в частности моделирование методом наплавления (FDM), обеспечивает беспрецедентную гибкость при проектировании компонентов, позволяя создавать сложные 3D-геометрии и интегрировать схемы в корпуса изделий, что потенциально снижает затраты и отходы.
- Революционная конструкция соленоида: Соленоид команды MIT более компактен, эффективен и мощный, чем существующие модели, что демонстрирует возможность 3D-печати для производства современных электронных компонентов.
- Будущие последствия: Достижения в области 3D-печатной электроники могут иметь серьезные последствия для устойчивого производства, недорогих медицинских систем и даже долгосрочных космических миссий, подчеркивая technologyуниверсальность и потенциал глобального воздействия.
Раздвигая границы 3D-печати, исследователи из Массачусетского технологического института недавно продемонстрировали полностью напечатанный на 3D-принтере соленоид, способный генерировать практическое магнитное поле. Что делает 3D-печать потенциально массовой в области печатной электроники, что продемонстрировали исследователи и как 3D-печать может стать будущим электроники?
Что делает 3D-печать потенциально массовой?
С момента разработки первых электронных компонентов появилось множество производственных технологий, позволяющих реализовать все виды технологий. Лазерная резка позволила настраивать резисторы до точного сопротивления, физическое осаждение из паровой фазы позволило формировать ультратонкие слои поверх полупроводников, а высокоскоростные прецизионные шаговые двигатели и сервоприводы позволяют работать устройствам захвата и перемещения. на невероятных скоростях при заполнении печатных плат.
Несмотря на решающую роль различных производственных процессов в разработке многочисленных технологий, ни одна технология не предлагает комплексного решения. Каждый из них основан на дополнительных промышленных процессах и этапах производства для создания компонента, печатной платы или продукта. Эта сложность обычно не является проблемой для изделий массового производства, но создает серьезные проблемы для производства прототипов из-за высоких затрат на оснастку и сложности производства.
Развитие электроники с помощью технологии 3D-печати
Напротив, за последнее десятилетие 3D-печать продемонстрировала значительный рост, особенно в секторе электроники, где она потенциально может заменить многие традиционные технологии производства электронных компонентов. Среди различных методов 3D-печати, моделирование методом наплавления (FDM) выделяется своей перспективностью в создании печатных компонентов.
Проще говоря, принтеры FDM строят модели слой за слоем, обычно используя экструдер для нанесения некоторого материала при высокой температуре, чтобы он сплавлялся со слоями под ним. Если используется несколько сопел и исходного сырья, FDM-принтер может печатать различными материалами по мере необходимости, а благодаря возможности печати в трех измерениях любой материал может быть расположен в любом месте конструкции.
Наиболее распространенным применением печати из нескольких материалов является цветная нить, поэтому напечатанные модели получаются цветными и не требуют дополнительной обработки. Тем не менее, ожидается, что эту же концепцию можно будет использовать и для создания электронных компонентов, что позволит не только полностью настраивать схемы, но и строить их во всех трех измерениях.
Это означает, что компоненты могут быть изготовлены из сложной трехмерной геометрии, в полной мере используя преимущества высоты z, а также плоскостей x и y. Это не только позволяет значительно увеличить плотность проектирования схем, но и использование технологии печати FDM может помочь снизить стоимость производства отдельных прототипов, поскольку нет необходимости в каких-либо инструментах.
Кроме того, эта концепция дизайна также позволяет для схем, встраиваемых в корпус изделия, тем самым максимально эффективно используя структурные компоненты продукта. Например, в корпусах могут быть размещены антенны, аналоговые схемы, датчики и многое другое, напечатанное непосредственно внутри стеновых полостей, что сокращает пространство на печатной плате и устраняет необходимость в дополнительных производственных процессах.
Исследователи Массачусетского технологического института создали соленоид, напечатанный на 3D-принтере
Признавая преимущества технологий 3D-печати, Массачусетский технологический институт активно исследует эту область, чтобы попытаться найти их реальное применение, например, в недорогих медицинских системах. Сейчас, MIT продемонстрировал соленоид, напечатанный на 3D-принтере который способен создавать магнитное поле.
Прорыв исследователей Массачусетского технологического института в создании полностью напечатанного на 3D-принтере соленоида, способного генерировать практическое магнитное поле, является свидетельством инновационных успехов, достигнутых в области электроники. Модифицировав 3D-принтер, работающий из нескольких материалов, команда смогла напечатать компактные соленоиды с магнитным сердечником за один этап, устранив дефекты, которые могли возникнуть во время процессов после сборки. Такая настройка позволила соленоидам выдерживать вдвое больший электрический ток и генерировать магнитное поле в три раза сильнее, чем другие устройства, напечатанные на 3D-принтере. Такие достижения могут значительно снизить стоимость и повысить эффективность производства электронных компонентов, демонстрируя потенциал 3D-печати для революции в производстве электроники.
По словам исследователей, соленоид способен выдерживать в 2 раза больший входной ток и создавать в 3 раза большее магнитное поле по сравнению с другими соленоидами, напечатанными другими исследователями. Кроме того, сам соленоид, по оценкам, примерно на 33% меньше, чем другие, находящиеся в настоящее время в разработке, что демонстрирует значительное улучшение электроники, напечатанной на 3D-принтере.
Чтобы проиллюстрировать инновационную конструкцию соленоида, напечатанного на 3D-принтере, на рисунке 1 представлен подробный вид структуры соленоида, демонстрирующий трехмерную визуализацию и покомпонентное изображение. Эта визуализация подчеркивает сложное расположение проводящих спиралей и изоляционных слоев, имеющих решающее значение для достижения расширенных возможностей генерации магнитного поля соленоида.
Рисунок 1: Изображение многослойного соленоида, напечатанного на 3D-принтере: (a) трехмерная иллюстрация и (b) подробная разбивка, иллюстрирующая чередование слоев проводящих спиралей и изоляционных материалов.
Чтобы реализовать эту конструкцию, исследователи обратились к прецизионному FDM-принтеру, способному работать с несколькими материалами. Кроме того, исследователи модифицировали печатающую головку так, чтобы она могла работать с гранулами вместо нити, поскольку гранулы гораздо легче получить. В случае с магнитным нейлоновым материалом, используемым для создания сердечника, производство нити практически невозможно, поэтому возможность печати из гранул снижает сложность конструкции, одновременно предоставляя принтеру больший доступ к материалам.
На рис. 7 показан трехмерный монолитный восьмислойный соленоид с сердечником из FeSiAl и нейлона, напечатанный на 3D-принтере и расположенный рядом с четвертью американского доллара для масштаба. Этот рисунок иллюстрирует компактный размер и точность, достижимую с помощью модифицированной технологии 3D-печати, подчеркивая потенциал миниатюризации электронных компонентов.
Рисунок 7: Трехмерный цельный соленоид, напечатанный на 3D-принтере, с нейлоновым сердечником FeSiAl, охватывающий восемь слоев: (a) отображает вид сверху рядом с кварталом США для сравнения масштабов и (b) представляет собой разрез квартала США.
На каждом слое соленоида был напечатан спиральный проводник, магнитный сердечник и изолирующий слой, чтобы слои были отделены друг от друга. В сочетании спирали приобретают электромагнитные свойства, реализуя, таким образом, соленоид.
Как 3D-печать может стать будущим электроники?
Несомненно, 3D-принтеры открывают огромные возможности в области прототипов и мелкосерийного производства благодаря их способности создавать что угодно, не требуя каких-либо инструментов. Однако это также означает, что они менее подходят для массового производства из-за низкой скорости производства и, как правило, худшего качества по сравнению со специализированными дискретными компонентами.
Однако одной из областей, в которой можно было бы увидеть большие преимущества, является долгосрочные космические миссии. В случае будущих миссий на другие планеты (например, на Марс) ограниченное пространство на кораблях, большая продолжительность миссии и невозможность получить новые детали означают, что запасение запасных модулей и электроники будет затруднено.
Демонстрируя практическое значение этих достижений, на рисунке 10 сравнивается напряженность магнитного поля на расстоянии 0.5 мм от вершины катушки в зависимости от тока для соленоидов с различными материалами сердечника, включая соленоид с нейлоновым сердечником FeSiAl, разработанный в этой работе. Это сравнение подчеркивает значительные улучшения в генерации магнитного поля, имеющие решающее значение для разработки более эффективных и компактных электронных устройств.
Рисунок 10: Сравнение напряженности магнитного поля на расстоянии 0.5 мм над верхушкой катушки против тока для соленоидов, полностью напечатанных на 3D-принтере: с воздушным сердечником и десятью слоями (обозначено черными маркерами, PowerMEMS 2022) [Цитирование40], железный восьмислойный сердечник из PLA (показан зелеными маркерами, CPEEE 2023) [Цитирование41] и нейлоновый сердечник FeSiAl с восемью слоями (обозначены розовыми маркерами из этого исследования).
Вместо этого, если бы такие устройства можно было печатать по мере необходимости, тогда требовалось бы только сырье. Поскольку это сырье можно использовать для создания множества дизайнов, становится возможным печатать то, что необходимо, по мере необходимости. Таким образом, миссия, которая никогда не требовалась новая плата связи но потребовалось десять замен контроллер двигателя мог бы легко добиться этого, используя только исходные материалы и принтер.
3D-печать также может стать ключом к созданию недорогой электроники в экономически неблагополучных странах, где доступ к новому оборудованию затруднен. Хотя сам принтер будет дорогим, его способность печатать что угодно дает огромную свободу, включая возможность печатать медицинские датчики, оборудование и другие устройства, спасающие жизни.
Заключение
В целом, то, что исследователи продемонстрировали с помощью своего 3D-печатного соленоида, впечатляет и ясно показывает, что 3D-печатная электроника не просто возможна, но и вполне правдоподобна.
Значение соленоидов, напечатанных на 3D-принтере MIT, выходит за рамки простого создания более эффективных электронных компонентов. Возможность производить эти соленоиды по требованию, с меньшими отходами материала и без необходимости использования сложных сборочных линий, представляет собой убедительный аргумент в пользу роли 3D-печати в достижении устойчивого и экономически эффективного производства электроники. Кроме того, адаптируемость технологии 3D-печати к использованию различных материалов открывает новые возможности для настройки электронных компонентов в соответствии с конкретными потребностями, что потенциально может привести к инновациям в медицинских устройствах, бытовой электронике и даже технологиях освоения космоса. Поскольку 3D-печать продолжает развиваться, она действительно может стать краеугольным камнем будущей электроники, предлагая решения, которые не только технологически продвинуты, но и экологически ответственны и доступны более широкому кругу творцов и новаторов.