Les ingénieurs du MIT impriment en 3D les électro-aimants qui constituent le cœur de nombreux appareils électroniques

Les ingénieurs du MIT impriment en 3D les électro-aimants qui constituent le cœur de nombreux appareils électroniques
Table
  1. Avantages additifs
  2. Impression avec des pellets


La possibilité de construire une machine de dialyse en utilisant uniquement une imprimante 3D pourrait être plus proche qu’on ne le pense. Cela permettrait non seulement de réduire les coûts et d’éliminer les déchets de fabrication, mais permettrait également de produire ce dispositif médical en dehors d’une usine, le rendant ainsi plus facile d’accès pour les personnes aux ressources limitées ou vivant dans des zones reculées.

Bien qu'il reste encore plusieurs défis à relever pour développer des appareils électroniques entièrement imprimés en 3D, une équipe d'ingénieurs du MIT a franchi une étape importante dans cette direction en démontrant la capacité d'imprimer entièrement en 3D des solénoïdes tridimensionnels.

Les solénoïdes, électro-aimants formés par une bobine de fil enroulé autour d'un noyau magnétique, sont un composant fondamental de nombreux appareils électroniques, des appareils de dialyse et respirateurs aux machines à laver et lave-vaisselle.

Les chercheurs ont modifié une imprimante 3D multi-matériaux afin qu’elle puisse imprimer des solénoïdes compacts dotés d’un noyau magnétique en une seule étape, éliminant ainsi les défauts qui pourraient être introduits lors des processus d’assemblage ultérieurs.

Cette imprimante personnalisée, capable d'utiliser des matériaux plus performants que les imprimantes commerciales classiques, a permis aux chercheurs de produire des solénoïdes capables de résister à deux fois le courant électrique et de générer un champ magnétique trois fois plus grand que les autres appareils imprimés en 3D.

En plus de réduire le coût de l’électronique sur Terre, ce matériel d’impression pourrait être particulièrement utile dans l’exploration spatiale. Par exemple, au lieu d'envoyer des pièces électroniques vers une base sur Mars, ce qui pourrait prendre des années et coûter des millions de dollars, un fichier pourrait être envoyé à l'imprimante 3D, explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Laboratoires. de technologie des microsystèmes au MIT (MTL).

Velásquez-García, auteur principal de la nouvelle étude publiée dans la revue Virtual and Physical Prototyping, aux côtés de Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et informatique ; et Hyeonseok Kim, étudiant diplômé en génie mécanique, considèrent la fabrication additive comme un moyen de démocratiser ces technologies.

Avantages additifs

Un solénoïde génère un champ magnétique lorsqu'un courant électrique lui est appliqué. Par exemple, lorsque quelqu’un sonne à la porte, le courant électrique circule à travers un solénoïde, générant un champ magnétique qui déplace une tige de fer et frappe la sonnette.

L'intégration de solénoïdes dans des circuits électriques fabriqués dans des salles blanches présente des défis importants, car ils ont des facteurs de forme très différents et sont fabriqués à l'aide de processus incompatibles qui nécessitent un post-assemblage. Par conséquent, les chercheurs ont étudié la fabrication de solénoïdes en utilisant bon nombre des mêmes processus que ceux utilisés pour fabriquer des puces semi-conductrices. Cependant, ces techniques limitent la taille et la forme des solénoïdes, ce qui affecte leurs performances.

Grâce à la fabrication additive, il est possible de produire des appareils de presque toutes les tailles et formes. Cependant, cela présente ses propres défis, car la fabrication d'un solénoïde implique d'enrouler de fines couches constituées de plusieurs matériaux qui peuvent ne pas être compatibles avec une seule machine.

Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont dû modifier une imprimante 3D à extrusion commerciale.

L'impression par extrusion fabrique des objets couche par couche, en expulsant le matériau à travers une buse. En règle générale, une imprimante utilise un type de matériau, souvent des bobines de filament.

Certaines personnes dans le domaine les méprisent parce qu'elles sont simples et n'ont pas beaucoup de fonctionnalités supplémentaires, mais l'extrusion est l'une des rares méthodes qui permet de réaliser une impression monolithique multi-matériaux.

Luis Fernando Velasquez-García

Ceci est essentiel, car les solénoïdes sont produits par la superposition précise de trois matériaux différents : un matériau diélectrique qui agit comme un isolant, un matériau conducteur qui forme la bobine électrique et un matériau magnétique doux qui constitue le noyau.

L'équipe a sélectionné une imprimante dotée de quatre buses, une dédiée à chaque matériau, afin d'éviter toute contamination croisée. Ils avaient besoin de quatre extrudeuses car ils testaient deux matériaux magnétiques doux, l'un à base de thermoplastique biodégradable et l'autre à base de nylon.

Impression avec des pellets

Les ingénieurs ont adapté l'imprimante pour que l'une des buses puisse extruder des pastilles au lieu du filament. Le nylon magnétique doux, fabriqué à partir d'un polymère flexible incrusté de microparticules métalliques, est pratiquement impossible à produire sous forme de filament. Cependant, ce matériau en nylon offre de bien meilleures performances que les alternatives à base de filaments.

L’utilisation du matériau conducteur présentait également des défis car il commençait à fondre et à obstruer la buse. Les chercheurs ont découvert que l’ajout d’une ventilation pour refroidir le matériau évitait ce problème. Ils ont également construit un nouveau support pour la bobine de filament conducteur, plus proche de la buse, réduisant ainsi la friction susceptible d'endommager les brins minces.

Malgré les modifications apportées à l'équipement, le matériel personnalisé coûte environ 4 000 dollars, ce qui rend cette technique potentiellement plus accessible à d'autres à un coût inférieur à celui d'autres approches, ajoute Velásquez-García.

Le matériel modifié imprime un solénoïde de taille quart en forme de spirale, empilant du matériau autour du noyau magnétique doux, avec des couches conductrices plus épaisses séparées par de fines couches isolantes.

Contrôler le processus avec précision est de la plus haute importance, car chaque matériau s'imprime à une température différente. Placer les uns sur les autres au mauvais moment pourrait provoquer un mélange des matériaux.

Parce que leur machine pouvait imprimer avec un matériau magnétique doux plus efficace, les solénoïdes ont atteint des performances supérieures à celles des autres appareils imprimés en 3D.

La méthode d’impression leur a permis de construire un dispositif tridimensionnel composé de huit couches, avec des bobines de matériau conducteur et isolant empilées autour du noyau comme un escalier en colimaçon. Plusieurs couches augmentent le nombre de bobines dans le solénoïde, ce qui améliore l'amplification du champ magnétique.

Grâce à la précision accrue de l'imprimante modifiée, ils ont pu fabriquer des solénoïdes environ 33 % plus petits que les autres versions imprimées en 3D. Un plus grand nombre de bobines dans une zone plus petite améliore également l'amplification.

En fin de compte, leurs solénoïdes ont pu produire un champ magnétique environ trois fois plus grand que ce que d’autres appareils imprimés en 3D peuvent produire.

Nous n'avons pas été les premiers à pouvoir fabriquer des inducteurs imprimés en 3D, mais nous avons été les premiers à les rendre tridimensionnels, ce qui amplifie considérablement les types de valeurs que vous pouvez générer. Et cela se traduit par une capacité à satisfaire une gamme d’applications plus large.

Luis Fernando Velasquez-García

Par exemple, bien que ces solénoïdes ne puissent pas générer autant de champ magnétique que ceux fabriqués avec des techniques traditionnelles, ils pourraient être utilisés comme convertisseurs d'énergie dans de petits capteurs ou actionneurs dans des robots logiciels.

Tournés vers l’avenir, les chercheurs cherchent à continuer d’améliorer leurs performances.

D’une part, ils pourraient tester l’utilisation de matériaux alternatifs qui pourraient avoir de meilleures propriétés. Ils explorent également des modifications supplémentaires qui pourraient contrôler plus précisément la température à laquelle chaque matériau est déposé, réduisant ainsi les défauts.

Via Les ingénieurs du MIT impriment en 3D les électro-aimants au cœur de nombreux appareils électroniques | Nouvelles du MIT | Massachusetts Institute of Technology

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