麻省理工学院的工程师3D打印了许多电子产品核心的电磁铁

想象一下，仅使用3D打印机就可以建造一台完整的透析机。

这不仅可以降低成本并消除制造浪费，而且由于这台机器可以在工厂外生产，资源有限的人或居住在偏远地区的人可能更容易获得这种医疗设备。

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通过展示完全3D打印的三维螺线管，朝着这个方向迈出了重要的一步。

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。

研究人员修改了一台多材料3D打印机，使其可以一步打印紧凑的磁芯螺线管。这消除了在装配后过程中可能引入的缺陷。

这种定制的打印机可以使用比典型商业打印机更高性能的材料，使研究人员能够生产出能够承受两倍电流并产生比其他3D打印设备大三倍的磁场的螺线管。

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可能特别有用。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·贝拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）说，与其将替换的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，不如发送包含3D打印机文件的信号。

“当需求是全球性的时，没有理由只在少数制造中心制造有能力的硬件。与其试图将硬件运送到世界各地，我们能否让遥远地方的人们自己制造硬件？增材制造可以在使这些技术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。

与他一起撰写论文的主要作者豪尔赫·卡纳达（Jorge Cañada）是一名电气工程和计算机科学研究生;Hyeonseok Kim，机械工程研究生。

添加剂优势

螺线管在电流通过时会产生磁场。例如，当有人按门铃时，电流会流过螺线管，螺线管会产生磁场，使铁棒移动，从而敲响铃声。

将螺线管集成到洁净室制造的电路上会带来重大挑战，因为它们具有非常不同的外形尺寸，并且使用需要后组装的不兼容工艺制造。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，这带来了自己的挑战，因为制造螺线管需要盘绕由多种材料制成的薄层，而这些薄层可能并不完全与一台机器兼容。

为了克服这些挑战，研究人员需要修改商用挤出3D打印机。

挤出打印通过喷嘴喷射材料，一次制造一层物体。通常，打印机使用一种类型的材料原料，通常是线轴。

Velásquez-García说：“该领域的一些人看不起它们，因为它们很简单，没有太多的花里胡哨的东西，但挤出是为数不多的可以进行多材料、整体印刷的方法之一。

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——一种用作绝缘体的介电材料、一种形成线圈的导电材料和一种构成磁芯的软磁材料。

该团队选择了一种带有四个喷嘴的打印机——每个喷嘴专用于每种材料，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

他们改装了打印机，以便一个喷嘴可以挤出颗粒，而不是灯丝。软磁尼龙由镶有金属微粒的柔韧聚合物制成，几乎不可能作为长丝生产。然而，这种尼龙材料的性能远优于长丝基替代品。

使用导电材料也带来了挑战，因为它会开始熔化并卡住喷嘴。研究人员发现，增加通风来冷却材料可以防止这种情况。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，即使经过团队的修改，定制的硬件成本也约为4,000美元，因此这种技术可以被其他人采用，成本低于其他方法。

改进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成螺旋形，较厚的导电层由薄绝缘层隔开。

精确控制过程至关重要，因为每种材料在不同的温度下打印。在错误的时间将一个放在另一个上面可能会导致材料弄脏。

因为他们的机器可以使用更有效的软磁材料进行打印，所以螺线管的性能比其他3D打印设备更高。

这种印刷方法使他们能够构建一个由八层组成的三维装置，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，从而改善了磁场的放大。

由于修改后的打印机增加了精度，他们可以制造出比其他3D打印版本小约33%的螺线管。在更小的面积内使用更多的线圈也会提高放大效果。

最后，它们的螺线管可以产生比其他3D打印设备所能达到的磁场大三倍左右的磁场。

“我们不是第一个能够制造3D打印电感器的人，但我们是第一个将它们制成三维的人，这极大地放大了你可以产生的各种值。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中的功率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性能。

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

这项工作由Empiriko公司资助。