麻省理工学院研究人员3D打印螺线管电磁铁，产生三倍以上的磁场

2024年2月，南极熊获悉，麻省理工学院的研究人员在使用3D打印技术构建透析机等电子设备方面取得了重大进展，研究内容已经发表在了《Virtual and Physical Prototyping》上，这项创新可以大幅降低成本，最大限度地减少制造浪费，并为偏远或资源有限地区的人们提供更容易获得医疗设备的机会。在克服全3D打印电子产品相关的挑战中，团队成功制造了全 3D 打印的三维螺线管（由缠绕在磁芯上的线圈形成的电磁体），这是电子设备中的关键组件，可应用的电子设备种类繁多，包括医疗设备和家用电器。



研究内容
研究人员改进了一种多材料 3D 打印机，使其可以一步打印紧凑的磁芯螺线管，从而消除组装后过程中可能引入的缺陷。这种定制打印机可以使用比典型商业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并产生比其他 3D 打印设备大3倍的磁场的螺线管。

除了使电子产品变得更便宜之外，这种打印硬件在太空探索中特别有用。麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席研究科学家 Luis Fernando Velásquez-García表示，人们可以发送包含3D打印机文件的信号，而不是将替换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）。


△3D 打印堆叠螺线管模型：(a) 三维渲染和 (b) 分解图

Velásquez-García 说道：“当需求遍及全球时，没有理由只在少数几个制造中心生产功能强大的硬件。我们能否让远方的人们自己制造硬件，而不是试图将硬件运送到世界各地？增材制造可以在这些技术的民主化方面发挥巨大作用。”、


△麻省理工学院的研究人员 3D 打印螺线管电磁体 - 使电子产品的生产变得更容易、更具成本效益

研究亮点

1.增材制造打印螺线管的优点
当电流通过螺线管时，螺线管会产生磁场。例如，当有人按门铃时，电流流过螺线管，螺线管产生磁场，移动铁棒，使其发出铃声。将螺线管集成到在洁净室中制造的电路上面临着巨大挑战，因为它们具有非常不同的外形尺寸，并且使用了与组装不兼容的工艺进行制造的。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，这也带来了挑战，因为制造螺线管需要卷绕由多种材料制成的薄层，而这些材料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。

螺线管是通过精确分层三种不同的材料制成的——用作绝缘体的介电材料、形成电线圈的导电材料以及构成磁芯的软磁材料。该团队选择了一台带有四个喷嘴的打印机，每个喷嘴对应一个材料，以防止交叉污染。他们使用了两种软磁材料，一种基于可生物降解的热塑性塑料，另一种基于尼龙。


△麻省理工学院的研究人员 3D 打印螺线管电磁体：使电子产品的生产变得更容易、更具成本效益

2.颗粒打印



研究团队对打印机进行了改造，使一个喷嘴可以挤出颗粒，而不是细丝。软磁尼龙由镶嵌有金属微粒的柔韧聚合物制成，不可能以细丝的形式生产，这种尼龙材料的性能比基于长丝的替代品要好得多。

使用导电材料也带来了挑战，因为它会开始熔化并堵塞喷嘴。研究人员发现，增加通风来冷却材料可以防止这种情况发生。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 表示，即使团队进行了修改，定制硬件的成本也约为 4,000 美元，因此其他人可以以比其他方法更低的成本采用该技术。

修改后的硬件通过在软磁芯周围分层材料将四分之一大小的螺线管打印为螺旋，较厚的导电层由薄绝缘层隔开。精确控制过程至关重要，因为每种材料的打印温度不同。在错误的时间将一种材料沉积在另一种材料上会导致材料混合。这种印打印法使麻省理工学院的研究人员能够构建一个包含八层的三维设备，其中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，从而提高了磁场的放大率。

由于改进后的打印机精度更高，他们可以制造比其他 3D 打印版本小约 33% 的螺线管，较小面积内的更多线圈也可增强放大效果。

Velásquez-García 说道：“我们不是第一批能够制造 3D 打印电感器的人，但我们是第一批将电感器制作成三维的人，这极大地扩展了其产生的价值。这意味着能够满足更广泛的应用。”例如，虽然这些螺线管无法产生与传统制造技术制造的螺线管一样多的磁场，但它们可以用作小型传感器中的电源转换器或软机器人中的执行器。

研究结论与展望
此研究的3D 打印螺线管可产生高斯级磁场，同时吸收数十毫安电流，可轻松用于实现完全3D打印的感应传感器。这项工作的成果扩展了 3D 打印电子技术的最先进水平，能够为现场制造和太空制造的电磁系统创建更复杂、功能更强大的螺线管。

材料特性（例如导电性、磁导率）和制造能力（例如最小特征尺寸）的改进可以进一步提高这些设备的性能，并实现定制磁传感器和执行器（例如泵、电动机）的单片、廉价制造。3D 打印电子产品整体制造的进一步进展可以直接在打印机床上制造功能性的复杂硬件（例如机动假肢、微型航天器）。该技术特别适用于资源和制造设备访问有限的偏远地区（例如太空制造）的集成设备和高度定制硬件的低成本、低浪费制造。

为了提高螺线管的性能，麻省理工学院的研究人员正在探索可能具有更合适特性的替代材料，可以更精确地控制每种材料的沉积温度，从而减少缺陷。