חוקרי MIT שינו מדפסת תלת מימד מרובת חומרים כך שתוכל לייצר סולנואידים תלת מימדיים בשלב אחד על ידי שכבות סלילים דקים במיוחד משלושה חומרים שונים. הוא מדפיס סולנואיד בגודל רבע אמריקאי כספירלה על ידי שכבת חומר סביב הליבה המגנטית הרכה, עם שכבות מוליכות עבות יותר המופרדות על ידי שכבות בידוד דקות. קרדיט: באדיבות החוקרים
הסולנואידים המודפסים יכולים לאפשר אלקטרוניקה שעולה פחות וקל יותר לייצור – בכדור הארץ או בחלל.
תארו לעצמכם יכולת לבנות מכונת דיאליזה שלמה באמצעות לא יותר ממדפסת תלת מימד.
זה לא רק יכול להפחית עלויות ולמנוע פסולת ייצור, אלא מכיוון שהמכונה הזו יכולה להיות מיוצרת מחוץ למפעל, אנשים בעלי משאבים מוגבלים או כאלה שגרים באזורים מרוחקים יוכלו לגשת למכשיר רפואי זה ביתר קלות.
בעוד שיש להתגבר על מכשולים מרובים כדי לפתח מכשירים אלקטרוניים המודפסים לחלוטין בתלת מימד, צוות ב MIT עשתה צעד חשוב בכיוון זה על ידי הדגמה מלאה של סולנואידים תלת מימדיים בהדפסה תלת מימדית.
פריצת דרך בתחום האלקטרוניקה המודפסת בתלת מימד
סולנואידים, אלקטרומגנטים שנוצרו על ידי סליל של תיל הכרוך סביב ליבה מגנטית, הם אבן יסוד של מוצרי אלקטרוניקה רבים, החל ממכונות דיאליזה ומכונות הנשמה ועד למכונות כביסה ומדיחי כלים.
החוקרים שינו מדפסת תלת מימד מרובת חומרים כך שתוכל להדפיס סולנואידים קומפקטיים עם ליבות מגנטיות בשלב אחד. זה מבטל פגמים שעלולים להופיע במהלך תהליכים לאחר ההרכבה.
מדפסת מותאמת אישית זו, שיכולה להשתמש בחומרים בעלי ביצועים גבוהים יותר ממדפסות מסחריות טיפוסיות, אפשרה לחוקרים לייצר סולנואידים שיכולים לעמוד בזרם חשמלי פי שניים וליצור שדה מגנטי שהיה גדול פי שלושה ממכשירים אחרים המודפסים בתלת מימד.
החוקרים שינו מדפסת תלת מימד מרובת חומרים כך שתוכל להדפיס סולנואידים קומפקטיים עם ליבות מגנטיות בשלב אחד. זה מבטל פגמים שעלולים להופיע במהלך תהליכים לאחר ההרכבה. קרדיט: באדיבות החוקרים
בנוסף להפיכת האלקטרוניקה לזולה יותר על פני כדור הארץ, חומרת הדפסה זו עשויה להיות שימושית במיוחד בחקר החלל. לדוגמה, במקום לשלוח חלקים אלקטרוניים חלופיים לבסיס על מַאְדִיםשעשוי לקחת שנים ולעלות מיליוני דולרים, אפשר לשלוח אות המכיל קבצים למדפסת התלת-ממדית, אומר לואיס פרננדו ולסקז-גרסיה, מדען מחקר ראשי במעבדות הטכנולוגיה של MIT (MTL).
"אין סיבה לייצר חומרה מסוגלת רק בכמה מרכזי ייצור כאשר הצורך הוא גלובלי. במקום לנסות לשלוח חומרה לכל רחבי העולם, האם נוכל להעצים אנשים במקומות מרוחקים לייצר אותה בעצמם? ייצור תוסף יכול למלא תפקיד עצום במונחים של דמוקרטיזציה של טכנולוגיות אלה", מוסיפה ולסקז-גרסיה, המחבר הבכיר של מאמר חדש על הסולנואידים המודפסים בתלת מימד המופיע בכתב העת אב טיפוס וירטואלי ופיזי.
הוא מצטרף במאמר על ידי הסופר הראשי חורחה קנאדה, סטודנט לתואר שני בהנדסת חשמל ומדעי המחשב; ו-Hyeonseok Kim, סטודנט לתואר שני בהנדסת מכונות.
יתרונות תוספים
סולנואיד יוצר שדה מגנטי כאשר מועבר דרכו זרם חשמלי. כאשר מישהו מצלצל בפעמון, למשל, זרם חשמלי זורם דרך סולנואיד, שיוצר שדה מגנטי שמניע מוט ברזל כך שהוא פוגע בפעמון.
שילוב סולנואידים על מעגלים חשמליים המיוצרים בחדר נקי מציב אתגרים משמעותיים, שכן יש להם גורמי צורה שונים מאוד והם מיוצרים תוך שימוש בתהליכים לא תואמים הדורשים הרכבה לאחר מכן. כתוצאה מכך, חוקרים חקרו ייצור סולנואידים תוך שימוש בהרבה מאותם תהליכים שמייצרים שבבי מוליכים למחצה. אבל טכניקות אלה מגבילות את הגודל והצורה של סולנואידים, מה שפוגע בביצועים.
עם ייצור תוסף, אפשר לייצר מכשירים שהם כמעט בכל גודל וצורה. עם זאת, זה מציג אתגרים משלו, שכן הכנת סולנואיד כוללת סלילת שכבות דקות העשויות ממספר חומרים שאולי לא כולם מתאימים למכונה אחת.
כדי להתגבר על האתגרים הללו, החוקרים היו צריכים לשנות מדפסת תלת מימד מסחרית עם שחול.
הדפסת אקסטרוזיה מייצרת חפצים שכבה אחת בכל פעם על ידי השפרצת חומר דרך זרבובית. בדרך כלל, מדפסת משתמשת בסוג אחד של חומר הזנה, לעתים קרובות בסלילים של נימה.
סולנואידים מיוצרים על ידי שכבות מדויקות של שלושה חומרים שונים – חומר דיאלקטרי המשמש כמבודד, חומר מוליך היוצר את הסליל החשמלי וחומר מגנטי רך המרכיב את הליבה. החומר המגנטי הרך שבו השתמשו החוקרים, שהוא בצורת כדורים, משיג ביצועים גבוהים יותר מחומרים מבוססי נימה. קרדיט: באדיבות החוקרים
"יש אנשים בשטח שמזלזלים בהם כי הם פשוטים ואין להם הרבה פעמונים ושריקות, אבל שחול היא אחת השיטות המעטות שמאפשרות לך לעשות הדפסה רב-חומרית ומונוליטית", אומר ולסקז-גרסיה.
זהו המפתח, מכיוון שהסולנואידים מיוצרים על ידי שכבה מדויקת של שלושה חומרים שונים – חומר דיאלקטרי המשמש כמבודד, חומר מוליך שיוצר את הסליל החשמלי וחומר מגנטי רך המרכיב את הליבה.
הצוות בחר במדפסת עם ארבע חרירים – אחת ייעודית לכל חומר כדי למנוע זיהום צולב. הם היו זקוקים לארבעה מכבשים כי הם ניסו שני חומרים מגנטיים רכים, האחד מבוסס על תרמופלסטי מתכלה והשני על בסיס ניילון.
הדפסה עם כדורים
הם התאימו את המדפסת כך שזרבובית אחת תוכל להוציא כדורים, במקום נימה. את הניילון המגנטי הרך, העשוי מפולימר גמיש משובץ במיקרו-חלקיקים מתכתיים, כמעט בלתי אפשרי לייצר כנימה. עם זאת, חומר הניילון הזה מציע ביצועים טובים בהרבה מאלטרנטיבות מבוססות חוטים.
השימוש בחומר המוליך גם הציב אתגרים, שכן הוא יתחיל להימס ותקע את הזרבובית. החוקרים גילו שהוספת אוורור לקירור החומר מנעה זאת. הם גם בנו מחזיק סליל חדש עבור החוט המוליך שהיה קרוב יותר לזרבובית, והפחית את החיכוך שעלול לפגוע בחוטים הדקים.
אפילו עם השינויים של הצוות, החומרה המותאמת אישית עלתה כ-4,000 דולר, כך שניתן להשתמש בטכניקה זו על ידי אחרים בעלות נמוכה יותר מגישות אחרות, מוסיף Velásquez-García.
החומרה ששונתה מדפיסה סולנואיד בגודל רבע אמריקאי כספירלה על ידי שכבת חומר סביב הליבה המגנטית הרכה, עם שכבות מוליכות עבות יותר המופרדות על ידי שכבות בידוד דקות.
לשליטה מדויקת בתהליך יש חשיבות עליונה מכיוון שכל חומר מדפיס בטמפרטורה שונה. הפקדה אחת על גבי השנייה בזמן הלא נכון עלולה לגרום למריחת החומרים.
מכיוון שהמכונה שלהם יכלה להדפיס עם חומר מגנטי רך ויעיל יותר, הסולנואידים השיגו ביצועים גבוהים יותר ממכשירים אחרים שהודפסו בתלת מימד.
שיטת ההדפסה אפשרה להם לבנות מכשיר תלת מימדי הכולל שמונה שכבות, עם סלילים של חומר מוליך ומבודד מוערמים סביב הליבה כמו גרם מדרגות לולייניות. שכבות מרובות מגדילות את מספר הסלילים בסולנואיד, מה שמשפר את ההגברה של השדה המגנטי.
בשל הדיוק המוסף של המדפסת ששונתה, הם יכלו לייצר סולנואידים שהיו קטנים בכ-33 אחוזים מגרסאות אחרות המודפסות בתלת מימד. יותר סלילים בשטח קטן יותר גם מגבירים את ההגברה.
בסופו של דבר, הסולנואידים שלהם יכלו לייצר שדה מגנטי שהיה גדול בערך פי שלושה ממה שמכשירים אחרים מודפסים בתלת מימד יכולים להשיג.
"לא היינו האנשים הראשונים שהצליחו ליצור משרנים מודפסים בתלת מימד, אבל היינו הראשונים שהפכו אותם לתלת מימד, וזה מעצים מאוד את סוגי הערכים שאתה יכול ליצור. וזה מתורגם ליכולת לספק מגוון רחב יותר של יישומים", הוא אומר.
לדוגמה, בעוד שסולנואידים אלה אינם יכולים ליצור שדה מגנטי רב כמו אלה שנעשו בטכניקות ייצור מסורתיות, הם יכולים לשמש כממירי כוח בחיישנים קטנים או מפעילים ברובוטים רכים.
בהמשך, החוקרים מחפשים להמשיך ולשפר את הביצועים שלהם.
ראשית, הם יכולים לנסות להשתמש בחומרים חלופיים שעשויים להיות בעלי תכונות טובות יותר. הם גם בוחנים שינויים נוספים שיכולים לשלוט בצורה מדויקת יותר בטמפרטורה שבה כל חומר מופקד, ולהפחית פגמים.
עבודה זו ממומנת על ידי Empiriko Corporation.
