3D 打印电磁体促使太空制造更进一步

想象一下，仅使用 3D 打印机就能构建出整个医疗透析机。

这不仅可以降低成本并消除制造浪费，而且由于该机器可以在工厂外生产，因此资源有限的人或居住在偏远地区的人可以更轻松地使用该医疗设备。

虽然开发完全 3D 打印的电子设备必须克服多个障碍，但麻省理工学院的一个团队通过展示完全 3D 打印的三维螺线管，在这个方向上迈出了重要的一步。

螺线管是由缠绕在磁芯上的线圈形成的电磁体，是许多电子产品的基本组成部分，从透析机和呼吸器到洗衣机和洗碗机。

研究人员改进了一台多材料 3D 打印机，使其可以一步打印紧凑的磁芯螺线管。这消除了组装后过程中可能引入的缺陷。

这种定制打印机可以使用比典型商业打印机性能更高的材料，使研究人员能够生产出比其他 3D 打印设备承受两倍电流并产生三倍大磁场的螺线管。

除了使地球上的电子产品变得更便宜之外，这种打印硬件在太空探索中特别有用。例如，麻省理工学院首席研究科学家 Luis Fernando Velásquez-García 表示，人们可以发送包含 3D 打印机文件的信号，而不是将替换电子部件运送到火星基地，这可能需要数年时间并花费数百万美元。微系统技术实验室 (MTL)。

“当需求遍及全球时，没有理由只在少数几个制造中心生产功能强大的硬件。我们能否让远方的人们自己制造硬件，而不是试图将硬件运送到世界各地？增材制造可以在这些技术的民主化方面发挥巨大作用，”Velásquez-García 补充道，他是一篇关于 3D 打印螺线管的新论文的资深作者，该论文发表在《虚拟和物理原型》杂志上。这篇论文的主要作者 Jorge Cañada 是一名电气工程和计算机科学研究生。和 Hyeonseok Kim，机械工程研究生。

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附加优势

当电流通过螺线管时，螺线管会产生磁场。例如，当有人按门铃时，电流流过螺线管，螺线管产生磁场，移动铁棒，使其发出铃声。

将螺线管集成到在洁净室中制造的电路上提出了重大挑战，因为它们具有非常不同的外形尺寸，并且是使用需要后组装的不兼容工艺制造的。因此，研究人员研究了利用许多与制造半导体芯片相同的工艺来制造螺线管。但这些技术限制了螺线管的尺寸和形状，从而影响了性能。

通过增材制造，人们可以生产几乎任何尺寸和形状的设备。然而，这也带来了挑战，因为制造螺线管需要卷绕由多种材料制成的薄层，而这些材料可能并不都与一台机器兼容。

为了克服这些挑战，研究人员需要改进商用挤出 3D 打印机。

挤出印刷通过喷嘴喷射材料，一次一层地制造物体。通常，打印机使用一种类型的原料，通常是长丝线轴。

“该领域的一些人看不起它们，因为它们很简单，没有太多花哨的东西，但挤出是极少数允许进行多材料、整体打印的方法之一，”Velásquez-García 说。

这是关键，因为螺线管是通过精确分层三种不同的材料制成的——用作绝缘体的介电材料、形成电线圈的导电材料以及构成磁芯的软磁材料。

该团队选择了一台带有四个喷嘴的打印机——一个专用于每种材料，以防止交叉污染。他们需要四台挤出机，因为他们尝试了两种软磁材料，一种基于可生物降解的热塑性塑料，另一种基于尼龙。

用颗粒打印

他们对打印机进行了改造，使一个喷嘴可以挤出颗粒，而不是细丝。软磁尼龙由镶嵌有金属微粒的柔韧聚合物制成，实际上不可能以细丝的形式生产。然而，这种尼龙材料的性能比基于长丝的替代品要好得多。

使用导电材料也带来了挑战，因为它会开始熔化并堵塞喷嘴。研究人员发现，增加通风来冷却材料可以防止这种情况发生。他们还为更靠近喷嘴的导电丝制造了一个新的线轴支架，减少了可能损坏细线的摩擦。

Velásquez-García 补充道，即使团队进行了修改，定制硬件的成本也约为 4,000 美元，因此其他人可以以比其他方法更低的成本采用该技术。

修改后的硬件通过在软磁芯周围分层材料将美国四分之一大小的螺线管打印为螺旋，较厚的导电层由薄绝缘层隔开。

精确控制过程至关重要，因为每种材料的打印温度不同。在错误的时间将一种材料沉积在另一种材料上可能会导致材料弄脏。

由于他们的机器可以使用更有效的软磁材料进行打印，因此螺线管比其他 3D 打印设备实现了更高的性能。

这种印刷方法使他们能够构建一个包含八层的三维设备，其中导电和绝缘材料的线圈像螺旋楼梯一样堆叠在核心周围。多层增加了螺线管中的线圈数量，从而提高了磁场的放大率。

由于改进后的打印机精度更高，他们可以制造比其他 3D 打印版本小约 33% 的螺线管。较小面积内的更多线圈也可增强放大效果。

最终，他们的螺线管产生的磁场大约是其他 3D 打印设备所能产生的磁场的三倍。

“我们不是第一批能够制造 3D 打印电感器的人，但我们是第一批将电感器制作成三维的人，这极大地放大了您可以产生的价值。这意味着能够满足更广泛的应用，”他说。

例如，虽然这些螺线管无法产生与传统制造技术制造的螺线管一样多的磁场，但它们可以用作小型传感器中的电源转换器或软机器人中的执行器。

展望未来，研究人员希望继续提高他们的表现。

其一，他们可以尝试使用可能具有更好性能的替代材料。他们还在探索其他修改，可以更精确地控制每种材料的沉积温度，从而减少缺陷。

这项工作由 Empiriko Corporation 资助。