2024 年 2 月 23 日，麻省理工學院研發團隊成功實現電磁鐵螺線管3D 打印，該研究成果發表在了《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家Luis Fernando Velásquez-García為通訊作者。這項工作由 Empiriko Corporation 資助。

僅使用 3D 打印機就能構建出整個透析機，這不僅可以降低成本并消除制造浪費，而且由于該機器可以在工廠外生產，因此資源有限的人或居住在偏遠地區的人可以更輕松地使用該醫療設備。雖然開發完全 3D 打印的電子設備必須克服多個障礙，但麻省理工學院的一個團隊通過展示完全 3D 打印的三維螺線管，在這個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，是許多電子產品的基本組成部分，從透析機和呼吸器到洗衣機和洗碗機。研究人員改進了一臺多材料 3D 打印機，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。這種定制打印機可以使用比典型商業打印機性能更高的材料，使研究人員能夠生產出比其他 3D 打印設備承受兩倍電流并產生三倍大磁場的螺線管。

除了使地球上的電子產品變得更便宜之外，這種打印部件太空探索中特別有用。麻省理工學院微系統技術實驗室 (MTL) 的首席研究科學家 Luis Fernando Velásquez-García 表示：“人們可以發送包含 3D 打印機文件的信號，而不是將替換電子部件運送到火星基地，這可能需要數年時間并花費數百萬美元。”

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，因為它們具有非常不同的外形尺寸，并且是使用需要后組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體芯片相同的工藝來制造螺線管。 但這些技術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，人們可以生產幾乎任何尺寸和形狀的設備。 然而，這也帶來了挑戰，因為制造螺線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機器兼容。為了克服這些挑戰，研究人員需要改進商用擠出 3D 打印機。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，因為它很簡單，沒有太多花哨的東西，但擠出是極少數允許進行多材料、整體打印的方法之一。因為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、形成電線圈的導電材料以及構成磁芯的軟磁材料。該團隊選擇了一臺帶有四個噴嘴的打印機——一個專用于每種材料，以防止交叉污染。該團隊需要四臺擠出機，因為他們嘗試了兩種軟磁材料，一種基于可生物降解的熱塑性塑料，另一種基于尼龍。該團隊對打印機進行了改造，使一個噴嘴可以擠出顆粒，而不是細絲。軟磁尼龍由鑲嵌有金屬微粒的柔韌聚合物制成，實際上不可能以細絲的形式生產。然而，這種尼龍材料的性能比基于長絲的替代品要好得多。

使用導電材料也帶來了挑戰，因為它會開始熔化并堵塞噴嘴。研究人員發現，增加通風來冷卻材料可以防止這種情況發生。 他們還為更靠近噴嘴的導電絲制造了一個新的線軸支架，減少了可能損壞細線的摩擦。

Velásquez-García表示：“即使團隊進行了修改，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。” 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，較厚的導電層由薄絕緣層隔開。精確控制過程至關重要，因為每種材料的打印溫度不同。 在錯誤的時間將一種材料沉積在另一種材料上可能會導致材料弄臟。由于研究團隊機器可以使用更有效的軟磁材料進行打印，因此螺線管比其他 3D 打印設備實現了更高的性能。這種印刷方法使他們能夠構建一個包含八層的三維設備，其中導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量，從而提高了磁場的放大率。由于改進后的打印機精度更高，他們可以制造比其他 3D 打印版本小約 33% 的螺線管。 較小面積內的更多線圈也可增強放大效果。最終，他們的螺線管產生的磁場大約是其他 3D 打印設備所能產生的磁場的三倍。雖然這些螺線管無法產生與傳統制造技術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器人執行器中的電源轉換器。展望未來，研究人員希望繼續提高他們的表現。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。