3D打印电磁体技术，实现一步生产复杂电子设备的关键组件

2024年2月26日，南极熊获悉，麻省理工学院(MIT)的研究人员开发出一种方法，可以使用3D打印一步生产出复杂的电磁线圈（由缠绕在磁芯上的线圈形成的电磁铁）。这种线圈是许多电子设备的基本组件，从透析机到呼吸机和洗衣机。它们通过载流导体产生磁场。传统上，制造电磁线圈需要经过复杂的加工工序和特殊的设备，但是这项研究表明，利用3D打印技术可以更加简便地制造出这种设备。

△采用经过改造的多材料3D打印紧凑的电磁线圈

研究人员改装了一台多材料3D打印机，使它能够一步到位打印出紧凑的电磁线圈，从而消除了后组装过程中可能出现的缺陷。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，并产生比其它3D打印设备大三倍磁场的电磁线圈。

△该研究已发表在《Virtual and Physical Prototyping》杂志上，题目为“通过多材料挤压实现三维软磁芯螺线管”（传送门）

麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）首席研究科学家Luis Fernando Velásquez-García表示，除了让地球上的电子产品变得更便宜外，这种打印硬件技术在太空探索中也会特别有用。例如，人们可以发送一个3D打印数字文件到火星基地，而不是必须运输替换零部件，因为，后者的方式可能需要数年时间并花费数百万美元。

Velásquez-García强调：“如果需求是全球性的，它就没有理由只停留在几个少数制造中心的手里。与其将硬件运往世界各地，我们是否可以让远方的人们自己制造硬件？增材制造可以在这些技术的民主化方面发挥巨大作用。”

△3D打印改装部件

增材制造的优点

麻省理工的电磁线圈是通过精确分层三种不同的材料制成的：一种是作为绝缘体的介电材料，一种是构成线圈的导电材料，还有一种是构成磁芯的软磁材料。

当电流通过螺线管时，螺线管会生成磁场。例如，按门铃时，电流流经螺线管，产生磁场使铁棒移动，从而敲响门铃。将螺线管集成到在无尘室中制造的电路板上面临着重大挑战，因为它们的外形尺寸迥异，使用的是不兼容的工艺，需要进行后期组装。因此，研究人员探索了利用制造半导体芯片的许多相同工艺来制造螺线管的可能性。然而，但是这些技术限制了螺线管的大小和形状，从而影响了它的性能。

利用3D打印技术，人们可以制造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，而这些材料可能无法全部与一台机器兼容。为了应对这些挑战，研究人员需要改装一台商用挤压式3D打印机。

研究小组选择了一台带有四个喷嘴的打印机，每种材料各配一个喷嘴，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。

"Velásquez-García指出："一些人对挤压式3D打印机不屑一顾，认为它们简单，功能有限。然而，挤压式3D打印机是极少数能够实现多材料、单片打印的方法之一。”

△一种两步制造有芯螺线管的方法

制造更小巧的螺线管

研究小组改造了打印机，使一个喷嘴可以挤出颗粒而不是长丝。这种软磁尼龙由一种柔韧的聚合物制成，上面镶嵌着金属微粒，几乎不可能制成长丝。然而，这种尼龙材料的性能却远远优于丝状材料。

使用导电材料也带来了挑战，因为它会开始融化并卡住喷嘴。研究人员发现，增加通风装置来冷却材料可以避免这种情况。他们还为导电长丝制作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力。

△本研究中使用的E3D ToolChanger 3D打印机。打印机的框架宽和深约为22英寸

Velásquez-García表示，即使经过团队的改装，定制硬件的成本也在4000美元左右（约合28万人民币）。但与与其它方法相比，这项技术的成本更低。

定制的3D打印设备通过在软磁芯周围分层材料将电磁铁以螺旋状打印出来，较厚的导电层由薄绝缘层隔开，大小仅为美国硬币的四分之一。因此，精确控制工艺至关重要，因为每种材料的打印温度都不同。如果在错误的时间将一种材料沉积在另一种材料上，可能会导致材料沉积不正确。因此，使用软磁材料打印螺线管可以产生更强大、更可靠的电磁铁，这使其在各种应用中具有竞争优势。

这种打印方法使研究人员能够制造出一个由八层螺线管组成的3D打印装置，导电和绝缘材料的线圈像螺旋楼梯一样堆叠在核心周围。多层结构增加了电磁铁中线圈的数量，从而提高了磁场的放大效果。

△3D打印电感器的特写剖视图，显示层间电气连接 (a) 和描述绝缘层不同几何形状的分解图 (b)

该小组表示，由于改进后的打印机精度更高，他们制作的螺线管比其它3D打印版本小33%。在更小的面积上安装更多的线圈也能提高放大率。

Velásquez-García说：“我们不是第一批能够制作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。这意味着我们能够满足更广泛的应用需求。”

例如，虽然这些电磁铁产生的磁场不如用传统制造技术制造的电磁铁大，但它们可以用作小型传感器的功率转换器或软机器人的致动器。

这项创新有望大幅削减成本，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便捷的医疗设备。为了进一步提高电磁铁的性能，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。他们还在探索更多的改良方法，以便更精确地控制每种材料的沉积温度，从而减少缺陷。