Mnohá zařízení se dnes dají skoro kompletně vyrobit pomocí 3D tisku, problémem je ale to „skoro“ – například v odlehlých oblastech nebo ve vesmíru. Součástkou, která prozatím kladla odpor, byly elektromagnety. Solenoidy, tedy elektromagnety tvořené cívkou z drátu omotaného kolem magnetického jádra, jsou základním stavebním prvkem mnoha elektronických zařízení, od dialyzačních přístrojů a respirátorů až po pračky a myčky nádobí.
Výzkumníci nyní upravili multimateriálovou 3D tiskárnu tak, aby mohla v jednom kroku tisknout kompaktní solenoidy s magnetickým jádrem. Tím se eliminují vady, které by mohly vzniknout při následných montážních procesech. „Aditivní výroba může sehrát obrovskou roli při demokratizaci technologií,“ uvádí spoluautor výzkumu Luis Fernando Velásquez-García z Massachusetts Institute of Technology. V ideálním případě by se pak součástky distribuovaly čistě jako soubor pro 3D tiskárnu.
Integrace solenoidů do elektrických obvodů vyráběných v čistých prostorách představuje značnou výzvu, protože mají velmi odlišné tvary a jsou vyráběny nekompatibilními procesy, které vyžadují dodatečnou montáž. Výzkumníci proto zkoumali výrobu solenoidů s využitím mnoha stejných procesů, které se používají při výrobě polovodičových čipů. Tyto postupy však omezují velikost a tvar solenoidů, což snižuje jejich výkon.
Pomocí aditivní výroby lze vyrábět zařízení prakticky libovolné velikosti a tvaru, to však na druhou stranu přináší své vlastní výzvy, protože výroba solenoidu zahrnuje navíjení tenkých vrstev z více materiálů, které nemusí být všechny kompatibilní s jedním strojem. K překonání těchto problémů museli výzkumníci běžnou komerční 3D tiskárnu upravit.
Vytlačovací tisk vyrábí objekty po jedné vrstvě vystřikováním materiálu tryskou. Tiskárna obvykle používá jeden typ vstupního materiálu, často cívky filamentu (vláken). To je klíčové, protože solenoidy se vyrábějí přesným vrstvením tří různých složek – dielektrického materiálu, který slouží jako izolant, vodivého materiálu tvořícího elektrickou cívku, a měkkého magnetického materiálu, který tvoří jádro.
Autoři nového výzkumu použili tiskárnu se čtyřmi tryskami – každá je určena daný materiál, aby se zabránilo křížové kontaminaci. Čtyři vytlačovací trysky byly potřeba kvůli tomu, že výzkumníci zkoušeli dva měkké magnetické materiály, jeden na bázi biologicky odbouratelného termoplastu a druhý na bázi nylonu.
Tiskárnu dovybavili tak, aby jedna tryska mohla vytlačovat pelety, nikoliv filament. Měkký magnetický nylon, který je vyroben z poddajného polymeru posetého kovovými mikročásticemi, je prakticky nemožné vyrobit jako filament. Tento nylonový materiál ale nabízí mnohem lepší výkon než alternativy na bázi filamentu.
Použití vodivého materiálu také představovalo problém, protože by se začal tavit a ucpával by trysku. Výzkumníci zjistili, že přidání ventilace umožňující chlazení materiálu problém ale vyřešilo.
I po úpravách, které tým provedl, stál upravený hardware jen přibližně 4 000 dolarů. Takto upravený hardware přitom vytiskne solenoid jako spirálu vrstvením materiálu kolem měkkého magnetického jádra, přičemž silnější vodivé vrstvy jsou odděleny tenkými izolačními vrstvami. Přesné řízení procesu je důležité, protože každý materiál se tiskne při jiné teplotě. Nanesení jednoho materiálu na druhý v nesprávnou dobu by mohlo způsobit jejich rozmazání.
Metoda tisku umožnila sestavit trojrozměrný magnet složený z osmi vrstev, přičemž cívky z vodivého a izolačního materiálu jsou kolem jádra poskládány jako točité schody. Více vrstev zvyšuje počet cívek v solenoidu, což zvyšuje zesílení magnetického pole.
Výsledné solenoidy nakonec dokázaly vytvořit magnetické pole asi třikrát větší než to, kterého mohou dosáhnout jiná zařízení dosud vytištěná na 3D tiskárně. Navíc šlo o údajně vůbec první trojrozměrný induktor vyrobený pomocí 3D tisku.
I když tyto solenoidy dosud nedokážou generovat tak silné magnetické pole jako solenoidy vyrobené tradičními výrobními technikami, vědci chtějí jejich výkon dále zlepšovat. Mohli by například zkusit použít alternativní materiály, zkoumají také další modifikace, které by umožnily přesněji řídit teplotu, při níž jsou jednotlivé materiály nanášeny, a snížit tak množství defektů.
Jorge Cañada et al, Three-dimensional, soft magnetic-cored solenoids via multi-material extrusion, Virtual and Physical Prototyping (2024). DOI: 10.1080/17452759.2024.2310046
Zdroj: Massachusetts Institute of Technology / MIT News / TechXplore.com, přeloženo / zkráceno
