麻省理工學(xué)院研究人員3D打印螺線管電磁鐵，產(chǎn)生三倍以上的磁場

2024年2月，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院的研究人員在使用3D打印技術(shù)構(gòu)建透析機(jī)等電子設(shè)備方面取得了重大進(jìn)展，研究內(nèi)容已經(jīng)發(fā)表在了《Virtual and Physical Prototyping》上，這項(xiàng)創(chuàng)新可以大幅降低成本，最大限度地減少制造浪費(fèi)，并為偏遠(yuǎn)或資源有限地區(qū)的人們提供更容易獲得醫(yī)療設(shè)備的機(jī)會(huì)。在克服全3D打印電子產(chǎn)品相關(guān)的挑戰(zhàn)中，團(tuán)隊(duì)成功制造了全 3D 打印的三維螺線管（由纏繞在磁芯上的線圈形成的電磁體），這是電子設(shè)備中的關(guān)鍵組件，可應(yīng)用的電子設(shè)備種類繁多，包括醫(yī)療設(shè)備和家用電器。



研究內(nèi)容
研究人員改進(jìn)了一種多材料 3D 打印機(jī)，使其可以一步打印緊湊的磁芯螺線管，從而消除組裝后過程中可能引入的缺陷。這種定制打印機(jī)可以使用比典型商業(yè)打印機(jī)性能更高的材料，使研究人員能夠生產(chǎn)出能夠承受兩倍電流并產(chǎn)生比其他 3D 打印設(shè)備大3倍的磁場的螺線管。

除了使電子產(chǎn)品變得更便宜之外，這種打印硬件在太空探索中特別有用。麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 (MTL) 的首席研究科學(xué)家 Luis Fernando Velásquez-García表示，人們可以發(fā)送包含3D打印機(jī)文件的信號(hào)，而不是將替換電子部件運(yùn)送到火星基地（這可能需要數(shù)年時(shí)間并花費(fèi)數(shù)百萬美元）。


△3D 打印堆疊螺線管模型：(a) 三維渲染和 (b) 分解圖

Velásquez-García 說道：“當(dāng)需求遍及全球時(shí)，沒有理由只在少數(shù)幾個(gè)制造中心生產(chǎn)功能強(qiáng)大的硬件。我們能否讓遠(yuǎn)方的人們自己制造硬件，而不是試圖將硬件運(yùn)送到世界各地？增材制造可以在這些技術(shù)的民主化方面發(fā)揮巨大作用。”、


△麻省理工學(xué)院的研究人員 3D 打印螺線管電磁體 - 使電子產(chǎn)品的生產(chǎn)變得更容易、更具成本效益

研究亮點(diǎn)

1.增材制造打印螺線管的優(yōu)點(diǎn)
當(dāng)電流通過螺線管時(shí)，螺線管會(huì)產(chǎn)生磁場。例如，當(dāng)有人按門鈴時(shí)，電流流過螺線管，螺線管產(chǎn)生磁場，移動(dòng)鐵棒，使其發(fā)出鈴聲。將螺線管集成到在潔凈室中制造的電路上面臨著巨大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅２煌�的外形尺寸，并且使用了與組裝不兼容的工藝進(jìn)行制造的。因此，研究人員研究了利用許多與制造半導(dǎo)體芯片相同的工藝來制造螺線管，但這些技術(shù)限制了螺線管的尺寸和形狀，從而影響了性能。

通過增材制造，人們可以生產(chǎn)幾乎任何尺寸和形狀的設(shè)備。然而，這也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)橹圃炻菥�管需要卷繞由多種材料制成的薄層，而這些材料并不都與一臺(tái)機(jī)器兼容。為了克服這些挑戰(zhàn)，研究人員需要改進(jìn)商用擠出 3D 打印機(jī)。

螺線管是通過精確分層三種不同的材料制成的——用作絕緣體的介電材料、形成電線圈的導(dǎo)電材料以及構(gòu)成磁芯的軟磁材料。該團(tuán)隊(duì)選擇了一臺(tái)帶有四個(gè)噴嘴的打印機(jī)，每個(gè)噴嘴對應(yīng)一個(gè)材料，以防止交叉污染。他們使用了兩種軟磁材料，一種基于可生物降解的熱塑性塑料，另一種基于尼龍。


△麻省理工學(xué)院的研究人員 3D 打印螺線管電磁體：使電子產(chǎn)品的生產(chǎn)變得更容易、更具成本效益

2.顆粒打印



研究團(tuán)隊(duì)對打印機(jī)進(jìn)行了改造，使一個(gè)噴嘴可以擠出顆粒，而不是細(xì)絲。軟磁尼龍由鑲嵌有金屬微粒的柔韌聚合物制成，不可能以細(xì)絲的形式生產(chǎn)，這種尼龍材料的性能比基于長絲的替代品要好得多。

使用導(dǎo)電材料也帶來了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼤?huì)開始熔化并堵塞噴嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，增加通風(fēng)來冷卻材料可以防止這種情況發(fā)生。他們還為更靠近噴嘴的導(dǎo)電絲制造了一個(gè)新的線軸支架，減少了可能損壞細(xì)線的摩擦。Velásquez-García 表示，即使團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了修改，定制硬件的成本也約為 4,000 美元，因此其他人可以以比其他方法更低的成本采用該技術(shù)。

修改后的硬件通過在軟磁芯周圍分層材料將四分之一大小的螺線管打印為螺旋，較厚的導(dǎo)電層由薄絕緣層隔開。精確控制過程至關(guān)重要，因?yàn)槊糠N材料的打印溫度不同。在錯(cuò)誤的時(shí)間將一種材料沉積在另一種材料上會(huì)導(dǎo)致材料混合。這種印打印法使麻省理工學(xué)院的研究人員能夠構(gòu)建一個(gè)包含八層的三維設(shè)備，其中導(dǎo)電和絕緣材料的線圈像螺旋樓梯一樣堆疊在核心周圍。多層增加了螺線管中的線圈數(shù)量，從而提高了磁場的放大率。

由于改進(jìn)后的打印機(jī)精度更高，他們可以制造比其他 3D 打印版本小約 33% 的螺線管，較小面積內(nèi)的更多線圈也可增強(qiáng)放大效果。

Velásquez-García 說道：“我們不是第一批能夠制造 3D 打印電感器的人，但我們是第一批將電感器制作成三維的人，這極大地?cái)U(kuò)展了其產(chǎn)生的價(jià)值。這意味著能夠滿足更廣泛的應(yīng)用�！崩�如，雖然這些螺線管無法產(chǎn)生與傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的螺線管一樣多的磁場，但它們可以用作小型傳感器中的電源轉(zhuǎn)換器或軟機(jī)器人中的執(zhí)行器。

研究結(jié)論與展望
此研究的3D 打印螺線管可產(chǎn)生高斯級磁場，同時(shí)吸收數(shù)十毫安電流，可輕松用于實(shí)現(xiàn)完全3D打印的感應(yīng)傳感器。這項(xiàng)工作的成果擴(kuò)展了 3D 打印電子技術(shù)的最先進(jìn)水平，能夠?yàn)楝F(xiàn)場制造和太空制造的電磁系統(tǒng)創(chuàng)建更復(fù)雜、功能更強(qiáng)大的螺線管。

材料特性（例如導(dǎo)電性、磁導(dǎo)率）和制造能力（例如最小特征尺寸）的改進(jìn)可以進(jìn)一步提高這些設(shè)備的性能，并實(shí)現(xiàn)定制磁傳感器和執(zhí)行器（例如泵、電動(dòng)機(jī)）的單片、廉價(jià)制造。3D 打印電子產(chǎn)品整體制造的進(jìn)一步進(jìn)展可以直接在打印機(jī)床上制造功能性的復(fù)雜硬件（例如機(jī)動(dòng)假肢、微型航天器）。該技術(shù)特別適用于資源和制造設(shè)備訪問有限的偏遠(yuǎn)地區(qū)（例如太空制造）的集成設(shè)備和高度定制硬件的低成本、低浪費(fèi)制造。

為了提高螺線管的性能，麻省理工學(xué)院的研究人員正在探索可能具有更合適特性的替代材料，可以更精確地控制每種材料的沉積溫度，從而減少缺陷。