2024 年 2 月 23 日，麻省理工學(xué)院研發(fā)團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)電磁鐵螺線管3D 打印，該研究成果發(fā)表在了《虛擬和物理原型》(Virtual And Physical Prototyping)雜志上，研究生Jorge Ca?ada、Hyeonseok Kim為論文共同第一作者，麻省理工首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García為通訊作者。這項(xiàng)工作由 Empiriko Corporation 資助。

僅使用 3D 打印機(jī)就能構(gòu)建出整個(gè)透析機(jī)，這不僅可以降低成本并消除制造浪費(fèi)，而且由于該機(jī)器可以在工廠外生產(chǎn)，因此資源有限的人或居住在偏遠(yuǎn)地區(qū)的人可以更輕松地使用該醫(yī)療設(shè)備。雖然開發(fā)完全 3D 打印的電子設(shè)備必須克服多個(gè)障礙，但麻省理工學(xué)院的一個(gè)團(tuán)隊(duì)通過展示完全 3D 打印的三維螺線管，在這個(gè)方向上邁出了重要的一步。

螺線管是由纏繞在磁芯上的線圈形成的電磁體，是許多電子產(chǎn)品的基本組成部分，從透析機(jī)和呼吸器到洗衣機(jī)和洗碗機(jī)。研究人員改進(jìn)了一臺(tái)多材料 3D 打印機(jī)，使其可以一步打印緊湊的磁芯螺線管。 這消除了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)出比其他 3D 打印設(shè)備承受兩倍電流并產(chǎn)生三倍大磁場的螺線管。

除了使地球上的電子產(chǎn)品變得更便宜之外，這種打印部件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，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。”

將螺線管集成到在潔凈室中制造的電路上提出了重大挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅２煌耐庑纬叽纾⑶沂鞘褂眯枰蠼M裝的不兼容工藝制造的。 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，而這些材料可能并不都與一臺(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)。擠出印刷通過噴嘴噴射材料，一次一層地制造物體。 通常，打印機(jī)使用一種類型的原料，通常是長絲線軸。一些人看不起擠出式3D打印，因?yàn)樗芎唵危瑳]有太多花哨的東西，但擠出是極少數(shù)允許進(jìn)行多材料、整體打印的方法之一。因?yàn)槁菥€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)——一個(gè)專用于每種材料，以防止交叉污染。該團(tuán)隊(duì)需要四臺(tái)擠出機(jī)，因?yàn)樗麄儑L試了兩種軟磁材料，一種基于可生物降解的熱塑性塑料，另一種基于尼龍。該團(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，實(shí)際上不可能以細(xì)絲的形式生產(chǎn)。然而，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，定制部件的成本也約為 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25美分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可能會(huì)導(dǎo)致材料弄臟。由于研究團(tuán)隊(duì)機(jī)器可以使用更有效的軟磁材料進(jìn)行打印，因此螺線管比其他 3D 打印設(shè)備實(shí)現(xiàn)了更高的性能。這種印刷方法使他們能夠構(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。最終，他們的螺線管產(chǎn)生的磁場大約是其他 3D 打印設(shè)備所能產(chǎn)生的磁場的三倍。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或軟機(jī)器人執(zhí)行器中的電源轉(zhuǎn)換器。展望未來，研究人員希望繼續(xù)提高他們的表現(xiàn)。其一，他們可以嘗試使用可能具有更好性能的替代材料。 他們還在探索其他優(yōu)化方法，可以更精確地控制每種材料的沉積溫度，從而減少缺陷。