นักวิจัยได้ดัดแปลงเครื่องพิมพ์ 3D หลายวัสดุเพื่อให้สามารถพิมพ์โซลินอยด์ขนาดกะทัดรัดที่มีแกนแม่เหล็กได้ในขั้นตอนเดียว วิธีการนี้จะขจัดโอกาสที่จะเกิดข้อบกพร่องซึ่งมักเกิดขึ้นในขั้นตอนหลังการประกอบ
สิ่งสำคัญที่ควรทราบ:
- นวัตกรรมของ MIT ในการพิมพ์ 3 มิติ: นักวิจัยจาก MIT ได้พัฒนาโซลินอยด์จากการพิมพ์ 3 มิติเต็มรูปแบบ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพในการเปลี่ยนแปลงการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างมีนัยสำคัญ โดยสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่ใช้งานได้จริง
- ข้อดีของการพิมพ์ 3 มิติในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์: การพิมพ์ 3 มิติ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง Fused Deposition Modeling (FDM) มอบความยืดหยุ่นที่เหนือชั้นในการออกแบบส่วนประกอบ ช่วยให้สามารถสร้างรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติที่ซับซ้อนและการบูรณาการวงจรเข้ากับกล่องหุ้มผลิตภัณฑ์ ซึ่งอาจช่วยลดต้นทุนและของเสียได้
- การออกแบบโซลินอยด์ที่ล้ำสมัย: โซลินอยด์ของทีม MIT มีขนาดกะทัดรัด มีประสิทธิภาพ และทรงพลังมากกว่ารุ่นที่มีอยู่ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของการพิมพ์ 3 มิติสำหรับการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ขั้นสูง
- ความหมายในอนาคต: ความก้าวหน้าในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติอาจมีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อการผลิตที่ยั่งยืน ระบบการแพทย์ที่มีต้นทุนต่ำ และแม้แต่ภารกิจด้านอวกาศในระยะยาว โดยเน้นที่ เทคโนโลยีความเก่งกาจและศักยภาพของผลกระทบระดับโลก
นักวิจัยจาก MIT ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดของการพิมพ์ 3 มิติเมื่อเร็ว ๆ นี้ ได้สาธิตโซลินอยด์ที่พิมพ์ 3 มิติเต็มรูปแบบที่สามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่ใช้งานได้จริง อะไรที่ทำให้การพิมพ์ 3 มิติมีขนาดใหญ่มากในสาขาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์ นักวิจัยแสดงให้เห็นอะไร และการพิมพ์ 3 มิติจะกลายเป็นอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร
อะไรทำให้การพิมพ์ 3 มิติมีขนาดใหญ่มาก?
นับตั้งแต่การพัฒนาชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ชิ้นแรก เทคโนโลยีการผลิตจำนวนมากก็ได้เกิดขึ้นซึ่งทำให้เทคโนโลยีทุกประเภทเกิดขึ้นจริงได้ การตัดด้วยเลเซอร์ช่วยให้สามารถตัดตัวต้านทานให้ได้ค่าความต้านทานที่แม่นยำ การสะสมไอทางกายภาพทำให้ชั้นบางพิเศษเกิดขึ้นที่ด้านบนของเซมิคอนดักเตอร์ และสเต็ปเปอร์มอเตอร์และเซอร์โวที่มีความแม่นยำสูงความเร็วสูงช่วยให้เครื่องหยิบและวางทำงานได้ ด้วยความเร็วที่เหลือเชื่อเมื่อเติม PCB
แม้ว่ากระบวนการผลิตต่างๆ จะมีบทบาทสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีต่างๆ มากมาย แต่ไม่มีเทคโนโลยีใดที่สามารถนำเสนอโซลูชั่นที่ครอบคลุมได้ แต่ละรายการต้องอาศัยกระบวนการทางอุตสาหกรรมและขั้นตอนการผลิตเพิ่มเติมเพื่อทำให้ส่วนประกอบ แผงวงจร หรือผลิตภัณฑ์เสร็จสมบูรณ์ ความซับซ้อนนี้โดยทั่วไปไม่เป็นปัญหาสำหรับสินค้าที่ผลิตจำนวนมาก แต่เป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับการผลิตต้นแบบ เนื่องจากต้นทุนเครื่องมือที่สูงและความซับซ้อนในการผลิต
ล้ำหน้าอิเล็กทรอนิกส์ด้วยเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ
ในทางตรงกันข้าม การพิมพ์ 3 มิติมีการเติบโตอย่างน่าทึ่งในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา โดยเฉพาะอย่างยิ่งในภาคส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งมีศักยภาพที่จะเข้ามาแทนที่เทคโนโลยีการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์แบบเดิมๆ มากมาย ในบรรดาวิธีการพิมพ์ 3D ต่างๆ Fused Deposition Modeling (FDM) มีความโดดเด่นในด้านการสร้างชิ้นส่วนที่พิมพ์ออกมา
พูดง่ายๆ ก็คือ เครื่องพิมพ์ FDM จะสร้างแบบจำลองทีละชั้น โดยปกติจะใช้เครื่องอัดรีดเพื่อฝากวัสดุบางส่วนไว้ที่อุณหภูมิสูง ดังนั้นมันจะหลอมรวมกับชั้นที่อยู่ด้านล่าง หากใช้หัวฉีดและวัตถุดิบตั้งต้นหลายอัน เครื่องพิมพ์ FDM จะพิมพ์วัสดุที่แตกต่างกันได้ตามต้องการ และเนื่องจากความสามารถในการพิมพ์แบบ 3 มิติ วัสดุใดๆ ก็ตามจึงสามารถจัดวางไว้ที่ใดก็ได้ในการออกแบบ
การใช้การพิมพ์หลายวัสดุโดยทั่วไปคือการใช้เส้นใยสี ดังนั้นแบบจำลองที่พิมพ์ออกมาจึงมีการลงสี โดยไม่ต้องมีการประมวลผลเพิ่มเติม อย่างไรก็ตาม เป็นที่คาดหวังไว้สูงว่าแนวคิดเดียวกันนี้สามารถนำไปใช้สร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ได้ ซึ่งช่วยให้วงจรไม่เพียงแต่สามารถปรับแต่งได้เต็มที่เท่านั้น แต่ยังสร้างขึ้นในสามมิติอีกด้วย
ซึ่งหมายความว่า ส่วนประกอบนั้นสามารถสร้างจากรูปทรงเรขาคณิต 3 มิติที่ซับซ้อนได้โดยใช้ประโยชน์จากความสูง z รวมถึงระนาบ x และ y อย่างเต็มที่ ไม่เพียงแต่ช่วยให้สามารถออกแบบวงจรที่มีความหนาแน่นมากขึ้นเท่านั้น แต่การใช้เทคโนโลยีการพิมพ์ FDM ยังสามารถช่วยลดต้นทุนในการผลิตต้นแบบแต่ละชิ้นได้ เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องมือใดๆ
นอกจากนี้แนวคิดการออกแบบนี้ยังช่วยให้ เพื่อนำวงจรไปฝังในตู้สินค้าจึงทำให้ส่วนประกอบทางโครงสร้างของผลิตภัณฑ์เกิดประโยชน์สูงสุด ตัวอย่างเช่น กล่องหุ้มอาจมีเสาอากาศ วงจรอะนาล็อก เซ็นเซอร์ และอื่นๆ อีกมากมายที่พิมพ์โดยตรงภายในช่องผนัง ช่วยลดพื้นที่ PCB และลดความจำเป็นในกระบวนการผลิตเพิ่มเติม
นักวิจัย MIT สร้างโซลินอยด์จากการพิมพ์ 3 มิติ
ด้วยความตระหนักถึงข้อดีของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติ MIT จึงได้ค้นคว้าข้อมูลในสาขานี้อย่างจริงจังเพื่อพยายามค้นหาการใช้งานจริง เช่น ระบบการแพทย์ที่มีต้นทุนต่ำ ตอนนี้, MIT สาธิตโซลินอยด์จากการพิมพ์ 3 มิติ ที่สามารถผลิตสนามแม่เหล็กได้.
ความก้าวหน้าของนักวิจัยของ MIT ในการสร้างโซลินอยด์ที่พิมพ์ด้วย 3 มิติเต็มรูปแบบซึ่งสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่ใช้งานได้จริงถือเป็นเครื่องพิสูจน์ถึงความก้าวหน้าทางนวัตกรรมที่เกิดขึ้นในสาขาอิเล็กทรอนิกส์ ด้วยการปรับเปลี่ยนเครื่องพิมพ์ 3D แบบหลายวัสดุ ทีมงานจึงสามารถพิมพ์โซลินอยด์ที่มีแกนแม่เหล็กขนาดกะทัดรัดได้ในขั้นตอนเดียว ซึ่งช่วยขจัดข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการหลังการประกอบ การปรับแต่งนี้ทำให้โซลินอยด์สามารถต้านทานกระแสไฟฟ้าได้มากเป็นสองเท่า และสร้างสนามแม่เหล็กที่ใหญ่กว่าอุปกรณ์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติอื่นๆ ถึงสามเท่า ความก้าวหน้าดังกล่าวสามารถลดต้นทุนได้อย่างมากและเพิ่มประสิทธิภาพในการผลิตชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงศักยภาพของการพิมพ์ 3 มิติที่จะปฏิวัติการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ตามที่นักวิจัยระบุว่า โซลินอยด์สามารถทนต่อกระแสไฟฟ้าอินพุตได้มากถึง 2 เท่า และสร้างสนามแม่เหล็กได้ 3 เท่า เมื่อเทียบกับโซลินอยด์อื่นๆ ที่พิมพ์โดยนักวิจัยคนอื่นๆ นอกจากนี้ ตัวโซลินอยด์เองก็คาดว่าจะมีขนาดเล็กกว่าตัวอื่นๆ ที่กำลังพัฒนาอยู่ประมาณ 33% ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการปรับปรุงที่สำคัญในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติ
เพื่อแสดงให้เห็นการออกแบบเชิงนวัตกรรมของโซลินอยด์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ รูปที่ 1 ให้มุมมองโดยละเอียดของโครงสร้างของโซลินอยด์ โดยแสดงภาพสามมิติและมุมมองแบบกระจาย การแสดงภาพนี้เน้นการจัดเรียงที่ซับซ้อนของเกลียวนำไฟฟ้าและชั้นฉนวน ซึ่งเป็นส่วนสำคัญในการบรรลุความสามารถในการสร้างสนามแม่เหล็กที่เพิ่มขึ้นของโซลินอยด์
1 รูป: การแสดงโซลินอยด์แบบเลเยอร์ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ: (a) ภาพประกอบสามมิติ และ (b) รายละเอียดโดยละเอียด ซึ่งแสดงให้เห็นชั้นสลับของเกลียวนำไฟฟ้าและวัสดุฉนวน
เพื่อให้บรรลุการออกแบบนี้ นักวิจัยหันมาใช้เครื่องพิมพ์ FDM ที่มีความแม่นยำซึ่งสามารถทำงานกับวัสดุหลายประเภทได้ นอกจากนี้ นักวิจัยได้ปรับเปลี่ยนหัวพิมพ์เพื่อให้สามารถทำงานกับเม็ดแทนเส้นใยได้ เนื่องจากเม็ดได้ง่ายกว่ามาก ในกรณีของวัสดุไนลอนแม่เหล็กที่ใช้สร้างแกน การผลิตเส้นใยแทบจะเป็นไปไม่ได้เลย ดังนั้น ความสามารถในการพิมพ์จากเม็ดพลาสติกจะช่วยลดความซับซ้อนในการออกแบบ ขณะเดียวกันก็ทำให้เครื่องพิมพ์เข้าถึงวัสดุได้มากขึ้น
รูปที่ 7 นำเสนอโซลินอยด์แปดชั้นแกนไนลอน FeSiAl Nylon ที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบเสาหิน ซึ่งวางชิดติดกับไตรมาสของสหรัฐอเมริกาเพื่อวัดขนาด ตัวเลขนี้เป็นตัวอย่างของขนาดที่กะทัดรัดและความแม่นยำที่ได้จากเทคนิคการพิมพ์ 3 มิติที่ได้รับการดัดแปลง ซึ่งตอกย้ำถึงศักยภาพในการย่อขนาดในชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์
7 รูป: โซลินอยด์สามมิติที่พิมพ์สามมิติชิ้นเดียวพร้อมแกนไนลอน FeSiAl ซึ่งครอบคลุมแปดชั้น: (a) แสดงมุมมองด้านบนควบคู่ไปกับไตรมาสของสหรัฐอเมริกาเพื่อเปรียบเทียบขนาด และ (b) นำเสนอมุมมองแบบตัดส่วนที่วางอยู่เหนือไตรมาสของสหรัฐอเมริกา
โซลินอยด์แต่ละชั้นถูกพิมพ์ด้วยตัวนำเกลียว แกนแม่เหล็ก และชั้นฉนวนเพื่อแยกชั้นออกจากกัน เมื่อรวมกันแล้ว เกลียวจะทำให้เกิดคุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้า ดังนั้นจึงรับรู้ถึงโซลินอยด์
การพิมพ์ 3 มิติจะกลายเป็นอนาคตของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้อย่างไร
ไม่ต้องสงสัยเลยว่าเครื่องพิมพ์ 3D นำเสนอโอกาสครั้งใหญ่ในด้านการสร้างต้นแบบและการผลิตในปริมาณน้อย เนื่องจากสามารถสร้างอะไรก็ได้โดยไม่ต้องใช้เครื่องมือใดๆ อย่างไรก็ตาม นอกจากนี้ยังหมายความว่าผลิตภัณฑ์เหล่านี้ไม่เหมาะกับการผลิตจำนวนมากเนื่องจากความเร็วในการผลิตที่ช้าและโดยทั่วไปคุณภาพจะแย่กว่าเมื่อเปรียบเทียบกับส่วนประกอบแบบแยกเฉพาะ
อย่างไรก็ตาม สิ่งหนึ่งที่อาจเห็นประโยชน์หลักๆ ก็คือ ภารกิจอวกาศระยะยาว- ในกรณีของภารกิจในอนาคตไปยังดาวเคราะห์ดวงอื่น (เช่น ดาวอังคาร) พื้นที่งานฝีมือที่จำกัด ระยะเวลาของภารกิจที่ยาวนาน และการไม่สามารถหาชิ้นส่วนใหม่ได้ หมายความว่าการสต๊อกโมดูลอะไหล่และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะเป็นเรื่องที่ท้าทาย
เพื่อแสดงให้เห็นถึงผลกระทบในทางปฏิบัติของความก้าวหน้าเหล่านี้ รูปที่ 10 เปรียบเทียบความแรงของสนามแม่เหล็กที่ 0.5 มม. จากด้านบนของคอยล์เทียบกับกระแสสำหรับโซลินอยด์ที่มีวัสดุแกนที่แตกต่างกัน รวมถึงโซลินอยด์แกนไนลอน FeSiAl ที่พัฒนาขึ้นในงานนี้ การเปรียบเทียบนี้เน้นย้ำถึงการปรับปรุงที่สำคัญในการสร้างสนามแม่เหล็ก ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญสำหรับการพัฒนาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น
10 รูป: การเปรียบเทียบความแรงของสนามแม่เหล็ก 0.5 มม. เหนือคอยล์ด้านบนกับกระแสสำหรับโซลินอยด์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติทั้งหมด: นำเสนอแกนอากาศที่มีสิบชั้น (ระบุด้วยเครื่องหมายสีดำ, PowerMEMS 2022) [การอ้างอิง40], แกนเหล็ก PLA แปดชั้น (แสดงด้วยเครื่องหมายสีเขียว, CPEEE 2023) [การอ้างอิง41] และ FeSiAl Nylon-core ที่มีแปดชั้น (แสดงด้วยเครื่องหมายสีชมพูจากการศึกษานี้)
แต่หากสามารถพิมพ์อุปกรณ์ดังกล่าวได้ตามต้องการ ก็จะต้องใช้เฉพาะวัตถุดิบเท่านั้น เนื่องจากวัตถุดิบเหล่านี้สามารถนำไปใช้ในการออกแบบได้มากมาย คุณจึงสามารถพิมพ์สิ่งที่จำเป็นได้ตามต้องการ ดังนั้น, ภารกิจนั้น ไม่ต้องมีบอร์ดสื่อสารใหม่ แต่ต้องการคนทดแทนสิบคน สำหรับตัวควบคุมเครื่องยนต์สามารถทำสิ่งนี้ได้อย่างง่ายดายเพียงแค่ใช้วัตถุดิบและเครื่องพิมพ์
การพิมพ์ 3 มิติอาจเป็นกุญแจสำคัญในการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ราคาประหยัดในประเทศที่ขาดแคลนทางเศรษฐกิจ ซึ่งการเข้าถึงอุปกรณ์ใหม่เป็นเรื่องที่ท้าทาย แม้ว่าตัวเครื่องพิมพ์จะมีราคาแพง แต่ความสามารถในการพิมพ์อะไรก็ได้ที่ให้อิสระอย่างมาก รวมถึงความสามารถในการพิมพ์เซ็นเซอร์ทางการแพทย์ อุปกรณ์ และอุปกรณ์ช่วยชีวิตอื่นๆ
สรุป
โดยรวมแล้ว สิ่งที่นักวิจัยได้แสดงให้เห็นด้วยโซลินอยด์ที่พิมพ์แบบ 3 มิตินั้นน่าประทับใจ และแสดงให้เห็นอย่างชัดเจนว่าอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่พิมพ์แบบ 3 มิตินั้นไม่เพียงแต่เป็นไปได้เท่านั้น แต่ยังเป็นไปได้อย่างสมบูรณ์แบบอีกด้วย
ผลกระทบของโซลินอยด์ที่พิมพ์แบบ 3 มิติของ MIT ขยายไปไกลกว่าแค่การสร้างชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น ความสามารถในการผลิตโซลินอยด์เหล่านี้ตามความต้องการ โดยลดการสิ้นเปลืองวัสดุและไม่จำเป็นต้องใช้สายการประกอบที่ซับซ้อน ถือเป็นกรณีที่น่าสนใจสำหรับบทบาทของการพิมพ์ 3 มิติในการบรรลุการผลิตอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยั่งยืนและคุ้มค่า นอกจากนี้ ความสามารถในการปรับตัวของเทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติเพื่อใช้วัสดุที่หลากหลายเปิดโอกาสใหม่ในการปรับแต่งชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ให้ตรงตามความต้องการเฉพาะ ซึ่งอาจนำไปสู่นวัตกรรมในอุปกรณ์ทางการแพทย์ เครื่องใช้ไฟฟ้า และแม้แต่เทคโนโลยีการสำรวจอวกาศ เนื่องจากการพิมพ์ 3D ยังคงพัฒนาอย่างต่อเนื่อง การพิมพ์ XNUMX มิติจึงอาจกลายเป็นรากฐานสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในอนาคต โดยนำเสนอโซลูชันที่ไม่เพียงแต่มีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเท่านั้น แต่ยังมีความรับผิดชอบต่อสิ่งแวดล้อมด้วย และสามารถเข้าถึงได้โดยผู้สร้างและผู้สร้างนวัตกรรมในวงกว้าง