智能制造網APP
智能制造網手機站
智能制造網小程序
智能制造網官微
智能制造網服務號
智能控制
機器人
儀器儀表
物聯網
3D打印
工業軟件
回放
預告
品牌
爽風
2024年2月26日，南極熊獲悉，麻省理工學院(MIT)的研究人員開發出一種方法，可以使用3D打印一步生產出復雜的電磁線圈(由纏繞在磁芯上的線圈形成的電磁鐵)。這種線圈是許多電子設備的基本組件，從透析機到呼吸機和洗衣機。它們通過載流導體產生磁場。傳統上，制造電磁線圈需要經過復雜的加工工序和特殊的設備，但是這項研究表明，利用3D打印技術可以更加簡便地制造出這種設備。
研究人員改裝了一臺多材料3D打印機，使它能夠一步到位打印出緊湊的電磁線圈，從而消除了后組裝過程中可能出現的缺陷。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能夠承受兩倍電流，并產生比其它3D打印設備大三倍磁場的電磁線圈。
麻省理工學院微系統技術實驗室(MTL)首席研究科學家Luis Fernando Velásquez-García表示，除了讓地球上的電子產品變得更便宜外，這種打印硬件技術在太空探索中也會特別有用。例如，人們可以發送一個3D打印數字文件到火星基地，而不是必須運輸替換零部件，因為，后者的方式可能需要數年時間并花費數百萬美元。
Velásquez-García強調：“如果需求是全球性的，它就沒有理由只停留在幾個少數制造中心的手里。與其將硬件運往世界各地，我們是否可以讓遠方的人們自己制造硬件？增材制造可以在這些技術的民主化方面發揮巨大作用。”
增材制造的優點
麻省理工的電磁線圈是通過精確分層三種不同的材料制成的：一種是作為絕緣體的介電材料，一種是構成線圈的導電材料，還有一種是構成磁芯的軟磁材料。
當電流通過螺線管時，螺線管會生成磁場。例如，按門鈴時，電流流經螺線管，產生磁場使鐵棒移動，從而敲響門鈴。將螺線管集成到在無塵室中制造的電路板上面臨著重大挑戰，因為它們的外形尺寸迥異，使用的是不兼容的工藝，需要進行后期組裝。因此，研究人員探索了利用制造半導體芯片的許多相同工藝來制造螺線管的可能性。然而，但是這些技術限制了螺線管的大小和形狀，從而影響了它的性能。
利用3D打印技術，人們可以制造幾乎任何尺寸和形狀的設備。然而，這也帶來了挑戰，因為制作螺線管需要卷繞由多種材料制成的薄層，而這些材料可能無法全部與一臺機器兼容。為了應對這些挑戰，研究人員需要改裝一臺商用擠壓式3D打印機。
研究小組選擇了一臺帶有四個噴嘴的打印機，每種材料各配一個噴嘴，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。
"Velásquez-García指出："一些人對擠壓式3D打印機不屑一顧，認為它們簡單，功能有限。然而，擠壓式3D打印機是極少數能夠實現多材料、一體化成型的方法之一。”
制造更小巧的螺線管
研究小組改造了打印機，使一個噴嘴可以擠出顆粒而不是長絲。這種軟磁尼龍由一種柔韌的聚合物制成，上面鑲嵌著金屬微粒，幾乎不可能制成長絲。然而，這種尼龍材料的性能卻遠遠優于絲狀材料。
使用導電材料也帶來了挑戰，因為它會開始融化并卡住噴嘴。研究人員發現，增加通風裝置來冷卻材料可以避免這種情況。他們還為導電長絲制作了一個新的線軸支架，使其更靠近噴嘴，從而減少了可能損壞細絲的摩擦力。
Velásquez-García表示，即使經過團隊的改裝，定制硬件的成本也在4000美元左右(約合28萬人民幣)。但與與其它方法相比，這項技術的成本更低。
定制的3D打印設備通過在軟磁芯周圍分層材料將電磁鐵以螺旋狀打印出來，較厚的導電層由薄絕緣層隔開，大小僅為美國硬幣的四分之一。因此，精確控制工藝至關重要，因為每種材料的打印溫度都不同。如果在錯誤的時間將一種材料沉積在另一種材料上，可能會導致材料沉積不正確。因此，使用軟磁材料打印螺線管可以產生更強大、更可靠的電磁鐵，這使其在各種應用中具有競爭優勢。
這種打印方法使研究人員能夠制造出一個由八層螺線管組成的3D打印裝置，導電和絕緣材料的線圈像螺旋樓梯一樣堆疊在核心周圍。多層結構增加了電磁鐵中線圈的數量，從而提高了磁場的放大效果。
該小組表示，由于改進后的打印機精度更高，他們制作的螺線管比其它3D打印版本小33%。在更小的面積上安裝更多的線圈也能提高放大率。
Velásquez-García說：“我們不是第一批能夠制作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。這意味著我們能夠滿足更廣泛的應用需求。”
例如，雖然這些電磁鐵產生的磁場不如用傳統制造技術制造的電磁鐵大，但它們可以用作小型傳感器的功率轉換器或軟機器人的致動器。
這項創新有望大幅削減成本，最大限度地減少制造浪費，并為偏遠或資源有限地區的人們提供更便捷的醫療設備。為了進一步提高電磁鐵的性能，麻省理工學院的研究人員正在探索可能具有更合適特性的替代材料。他們還在探索更多的改良方法，以便更精確地控制每種材料的沉積溫度，從而減少缺陷。
原標題：麻省理工學院研究人員3D打印螺線管電磁鐵，產生三倍以上的磁場
浙公網安備 33010602000006號
智能制造網APP
智能制造網小程序
微信公眾號
