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杭榮
2024年2月26日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院(MIT)的研究人員開發(fā)出一種方法，可以使用3D打印一步生產(chǎn)出復(fù)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(shè)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(dǎo)體產(chǎn)生磁場。傳統(tǒng)上，制造電磁線圈需要經(jīng)過復(fù)雜的加工工序和特殊的設(shè)備，但是這項研究表明，利用3D打印技術(shù)可以更加簡便地制造出這種設(shè)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(xiàn)的缺陷。這種定制打印機可以使用比典型商業(yè)打印機性能更高的材料，使研究人員能夠生產(chǎn)出能夠承受兩倍電流，并產(chǎn)生比其它3D打印設(shè)備大三倍磁場的電磁線圈。
麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室(MTL)首席研究科學(xué)家Luis Fernando Velásquez-García表示，除了讓地球上的電子產(chǎn)品變得更便宜外，這種打印硬件技術(shù)在太空探索中也會特別有用。例如，人們可以發(fā)送一個3D打印數(shù)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(shù)年時間并花費數(shù)百萬美元。
Velásquez-García強調(diào)：“如果需求是全球性的，它就沒有理由只停留在幾個少數(shù)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(yuǎn)方的人們自己制造硬件？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。”
增材制造的優(yōu)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(gòu)成線圈的導(dǎo)電材料，還有一種是構(gòu)成磁芯的軟磁材料。
當(dāng)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(jīng)螺線管，產(chǎn)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(zhàn)，因為它們的外形尺寸迥異，使用的是不兼容的工藝，需要進(jìn)行后期組裝。因此，研究人員探索了利用制造半導(dǎo)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(shù)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(shù)，人們可以制造幾乎任何尺寸和形狀的設(shè)備。然而，這也帶來了挑戰(zhàn)，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(yīng)對這些挑戰(zhàn)，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(rèn)為它們簡單，功能有限。然而，擠壓式3D打印機是極少數(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)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(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于絲狀材料。
使用導(dǎo)電材料也帶來了挑戰(zhàn)，因為它會開始融化并卡住噴嘴。研究人員發(fā)現(xiàn)，增加通風(fēng)裝置來冷卻材料可以避免這種情況。他們還為導(dǎo)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(xì)絲的摩擦力。
Velásquez-García表示，即使經(jīng)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(shù)的成本更低。
定制的3D打印設(shè)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(dǎo)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(guān)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(dǎo)致材料沉積不正確。因此，使用軟磁材料打印螺線管可以產(chǎn)生更強大、更可靠的電磁鐵，這使其在各種應(yīng)用中具有競爭優(yōu)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(dǎo)電和絕緣材料的線圈像螺旋樓梯一樣堆疊在核心周圍。多層結(jié)構(gòu)增加了電磁鐵中線圈的數(shù)量，從而提高了磁場的放大效果。
該小組表示，由于改進(jìn)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(yīng)用需求。”
例如，雖然這些電磁鐵產(chǎn)生的磁場不如用傳統(tǒng)制造技術(shù)制造的電磁鐵大，但它們可以用作小型傳感器的功率轉(zhuǎn)換器或軟機器人的致動器。
這項創(chuàng)新有望大幅削減成本，最大限度地減少制造浪費，并為偏遠(yuǎn)或資源有限地區(qū)的人們提供更便捷的醫(yī)療設(shè)備。為了進(jìn)一步提高電磁鐵的性能，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。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(biāo)題：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
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