麻省理工学院的研究人员改进了一种多材料3D打印机，这样它就可以通过分层三种不同材料的超薄线圈一步生产出三维螺线管。它通过在软磁核心周围分层材料，将较厚的导电层与较薄的绝缘层分开，将美国四分之一大小的螺线管打印成螺旋状。图片来源:研究人员提供

　　印刷的螺线管可以使电成本更低、更容易在地球上或太空中制造的nic。

　　想象一下只用一台3D打印机就能造出一台完整的透析机。

　　这不仅可以降低成本和消除制造浪费，而且由于这种机器可以在工厂外生产，资源有限或居住在偏远地区的人可能更容易使用这种医疗设备。

　　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在这个方向上迈出了重要的一步，他们展示了完全3D打印的三维螺线管。

　　3d打印电子技术的突破

　　螺线管是一种由线圈缠绕在磁芯上形成的电磁铁，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。

　　研究人员改进了一种多材料3D打印机，使其能够一步打印出紧凑的磁芯螺线管。这消除了可能在后组装过程中引入的缺陷。

　　这种定制的打印机可以使用比典型的商用打印机性能更高的材料，使研究人员能够生产出能够承受两倍电流的螺线管，并产生比其他3d打印设备大三倍的磁场。

　　研究人员改进了一种多材料3D打印机，使其能够一步打印出紧凑的磁芯螺线管。这消除了可能在后组装过程中引入的缺陷。图片来源:研究人员提供

　　除了使地球上的电子产品更便宜之外，这种打印硬件在太空探索中特别有用。例如，麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的首席研究科学家路易斯·费尔南多Velásquez-García说，人们可以发送包含3D打印机文件的信号，而不是将替换的电子部件运送到火星基地，这可能需要数年时间和数百万美元。

　　“当需求是全球性的时候，没有理由只在少数几个制造中心生产有能力的硬件。与其把硬件运到世界各地，我们能不能让远方的人们自己动手?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《虚拟与物理原型》杂志上。

　　与他一起撰写论文的还有主要作者Jorge Ca?ada，他是一名电子工程和计算机科学研究生;以及机械工程研究生Hyeonseok Kim。

　　添加剂的优势

　　当电流通过螺线管时，它会产生磁场。例如，当有人按门铃时，电流通过螺线管，产生磁场，使铁棒移动，从而敲响钟声。

　　将螺线管集成到在洁净室制造的电路中提出了重大挑战，因为它们具有非常不同的外形因素，并且使用不兼容的工艺制造，需要后组装。因此，研究人员已经开始研究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，因为制作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。

　　挤压印刷通过喷嘴喷射材料，一次制造一层物体。通常，一台打印机使用一种材料，通常是一卷一卷的长丝。

　　螺线管是由三种不同的材料精确分层制成的——一种作为绝缘体的介电材料，一种形成线圈的导电材料，以及一种构成磁芯的软磁材料。研究人员使用的软磁材料，以颗粒的形式，比基于细丝的材料具有更高的性能。图片来源:研究人员提供

　　“该领域的一些人看不起它们，因为它们很简单，没有很多花哨的东西，但挤出是少数几种允许你进行多材料、单片打印的方法之一，”Velásquez-García说。

　　这是关键，因为螺线管是由三种不同的材料精确分层生产的——一种作为绝缘体的介电材料，一种形成线圈的导电材料，以及一种构成磁芯的软磁材料。

　　该团队选择了一台有四个喷嘴的打印机，每种材料一个喷嘴，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。

　　颗粒印刷

　　他们对打印机进行了改造，这样一个喷嘴就可以挤出颗粒，而不是长丝。这种软磁尼龙是由一种柔韧的聚合物制成的，上面镶嵌着金属微粒，实际上是不可能生产出长丝的。然而，这种尼龙材料提供了比基于长丝的替代品更好的性能。

　　使用导电材料也带来了挑战，因为它会开始融化并堵塞喷嘴。研究人员发现，增加通风来冷却材料可以防止这种情况的发生。他们还为导电丝制造了一个新的线轴支架，使其更靠近喷嘴，从而减少了可能损坏细丝的摩擦。

　　Velásquez-García补充说，即使经过团队的修改，定制硬件的成本约为4,000美元，因此其他人可以以比其他方法更低的成本使用这项技术。

　　改进后的硬件将美国四分之一大小的螺线管打印成螺旋状，通过在软磁核心周围分层材料，将较厚的导电层与薄的绝缘层分开。

　　精确控制打印过程至关重要，因为每种材料在不同的温度下打印。在错误的时间把一个放在另一个上面可能会导致材料涂抹。

　　因为他们的机器可以用更有效的软磁材料打印，所以螺线管比其他3d打印设备具有更高的性能。

　　这种打印方法使他们能够建造一个由八层组成的三维装置，在核心周围堆叠着导电和绝缘材料的线圈，就像一个螺旋楼梯。多层增加了螺线管中的线圈数量，从而提高了磁场的放大效果。

　　由于改进后的打印机精度更高，他们可以制造出比其他3d打印版本小33%的螺线管。更多的线圈在更小的区域也提高了放大。

　　最后，他们的螺线管可以产生比其他3d打印设备大三倍的磁场。

　　“我们不是第一个能够制造3d打印电感器的人，但我们是第一个制造三维电感器的人，这极大地放大了你可以产生的各种价值。这意味着能够满足更广泛的应用，”他说。

　　例如，虽然这些螺线管不能像传统制造技术那样产生那么多的磁场，但它们可以用作小型传感器的电源转换器或软机器人的执行器。

　　展望未来，研究人员正在寻求继续提高他们的表现。

　　首先，他们可以尝试使用可能具有更好性能的替代材料。他们还在探索额外的改进，以更精确地控制每种材料沉积的温度，减少缺陷。

　　参考资料:“三维，软磁芯螺线管通过多材料挤压”，Jorge Ca?ada, Hyeonseok Kim和Luis Fernando Velásquez-García, 2024年2月20日，虚拟和物理原型。DOI: 10.1080 / 17452759.2024.2310046

　　这项工作是由Empiriko公司资助的。