MITの研究者が3倍の磁場を発生させるソレノイド電磁石を3Dプリント

2024年2月、アンタークティックベアは、MITの研究者が3Dプリント技術を使用して透析装置などの電子機器を製造する上で大きな進歩を遂げたことを知りました。研究内容は「仮想および物理プロトタイピング」に掲載されています。このイノベーションにより、コストを大幅に削減し、製造廃棄物を最小限に抑え、遠隔地や資源が限られた地域の人々が医療機器をより簡単に利用できるようになります。チームは、完全 3D プリントされた電子機器に関連する課題を克服し、医療機器や家電製品など、幅広い用途の電子機器の重要なコンポーネントである、完全 3D プリントされた 3 次元ソレノイド (磁心の周囲に巻かれたワイヤのコイルによって形成された電磁石)の作成に成功しました。

研究内容 研究者らは、マルチマテリアル 3D プリンターを改良し、コンパクトな磁気コアソレノイドを 1 回のステップで印刷できるようにして、組み立て後のプロセスで発生する可能性のある欠陥を排除しました。このカスタムプリンターは、一般的な市販プリンターよりも高性能な材料を使用できるため、研究者は他の 3D プリントデバイスよりも 2 倍の電流を処理し、3 倍の磁場を生成できるソレノイドを製造できます。

この種の印刷ハードウェアは、電子機器の価格を安くするだけでなく、宇宙探査にも特に役立つ可能性があります。交換用の電子部品を火星の基地に輸送する代わりに（何年もかかり、数百万ドルの費用がかかる可能性がある）、3Dプリンター用のファイルを含む信号を送信できると、MITマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究科学者、ルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は言う。

△3Dプリントされた積層ソレノイドモデル：（a）3Dレンダリングと（b）分解図

「需要が世界規模であるときに、強力なハードウェアを少数の製造センターでのみ生産する理由はありません」とベラスケス・ガルシア氏は言う。「ハードウェアを世界中に出荷しようとするのではなく、遠く離れた場所の人々が自分で作れるようにできないでしょうか。付加製造は、これらの技術を民主化する上で大きな役割を果たすことができます。」

MITの研究者がソレノイド電磁石を3Dプリント - 電子機器の製造をより簡単に、よりコスト効率よく

研究ハイライト

1. 積層造形ソレノイドの利点<br /> 電流がソレノイドを通過すると、磁場が生成されます。たとえば、誰かがドアベルを鳴らすと、ソレノイドに電流が流れ、磁場が発生して鉄の棒が動いてドアベルが鳴ります。クリーンルームで製造された回路にソレノイドを統合することは、フォームファクターが大きく異なり、組み立てと互換性のないプロセスを使用して製造されるため、大きな課題を伴います。そこで研究者たちは、半導体チップの製造に使われるのと同じプロセスの多くを使ってソレノイドを作ることを検討してきたが、それらの技術ではソレノイドのサイズと形状が制限され、それが性能に影響を及ぼしてしまう。

付加製造により、事実上あらゆるサイズと形状のデバイスを製造できます。しかし、ソレノイドの製造には、単一の機械ですべてに対応できないさまざまな材料から作られた薄い層を巻く必要があるため、課題も生じます。これらの課題を克服するために、研究者は市販の押し出し 3D プリンターを改良する必要がありました。

ソレノイドは、絶縁体として機能する誘電体、電気コイルを形成する導電材料、コアを構成する軟磁性材料の 3 つの異なる材料を正確に重ねて作られています。チームは、相互汚染を防ぐために、材料ごとに 1 つずつ、合計 4 つのノズルを備えたプリンターを選択しました。彼らは、生分解性の熱可塑性プラスチックをベースにした軟磁性材料とナイロンをベースにした軟磁性材料の 2 種類を使用しました。

△MITの研究者がソレノイド電磁石を3Dプリント：電子製品の製造をより簡単に、よりコスト効率よく

2. 粒子印刷

研究チームは、ノズルがフィラメントではなくペレットを押し出せるようにプリンターを改造した。金属微粒子が埋め込まれた柔軟なポリマーから作られた軟磁性ナイロンは、フィラメントの形で製造することは不可能であり、このナイロン素材の性能はフィラメントベースの代替品よりもはるかに優れています。

導電性材料を扱う場合、溶けてノズルが詰まる可能性があるため、課題もあります。研究者らは、材料を冷却するために換気装置を追加すると、このような事態を防ぐことができることを発見した。また、ノズルに近い導電性フィラメント用の新しいスプールホルダーも開発し、細いワイヤを損傷する可能性のある摩擦を軽減しました。ベラスケス＝ガルシア氏は、チームの改造を施しても特注ハードウェアのコストは約4,000ドルなので、他の方法よりも低コストでこの技術を導入できると述べた。

改良されたハードウェアは、柔らかい磁気コアの周りに材料を重ね、薄い絶縁層で区切られた厚い導電層を配置することで、25セント硬貨サイズのソノイドを螺旋状に印刷します。それぞれの材料は異なる温度で印刷されるため、プロセスを正確に制御することが重要です。間違ったタイミングで 1 つの材料を別の材料の上に重ねると、材料が混ざってしまう可能性があります。この印刷方法により、MITの研究者は、導体と絶縁体のコイルが螺旋階段のようにコアの周りに積み重ねられた、8層からなる3次元デバイスを構築することができました。複数の層にするとソレノイド内のコイルの数が増え、磁場の増幅が高まります。

改良されたプリンターはより精密なので、他の3Dプリントバージョンよりも約33％小さいソレノイドを製造できます。より小さな領域に多くのコイルを配置することで、増幅効果を高めることもできます。

「3D プリントされたインダクタを作ったのは当社が初めてではありませんが、3 次元で作ったのは当社が初めてです。これにより、インダクタが生み出せる価値が大幅に拡大します」とベラスケスガルシア氏は言います。「つまり、用途が広がるということです。」たとえば、これらのソレノイドは、従来の製造技術で作られたソレノイドほどの磁場を生成できませんが、小型センサーの電力変換器やソフトロボットのアクチュエータとして使用できます。

研究の結論と展望<br /> この研究で使用された 3D プリントソレノイドは、数十ミリアンペアの電流を吸収しながらガウスレベルの磁場を生成でき、完全に 3D プリントされた誘導センサーを簡単に実現できます。この研究の結果は、3D プリントエレクトロニクスの最先端技術を拡張し、現場や宇宙で製造される電磁システム用の、より複雑で強力なソレノイドの作成を可能にします。

材料特性（導電性、透磁率など）と製造能力（最小特徴サイズなど）の向上により、これらのデバイスのパフォーマンスがさらに向上し、カスタマイズされた磁気センサーとアクチュエータ（ポンプ、モーターなど）のモノリシックで安価な製造が可能になります。 3D プリントエレクトロニクスの製造全体がさらに進歩すれば、機能的で複雑なハードウェア (電動義肢、超小型宇宙船など) をプリンターベッド上で直接製造できるようになるかもしれません。この技術は、宇宙製造など、リソースや製造設備へのアクセスが限られている遠隔地での統合デバイスや高度にカスタマイズされたハードウェアの低コストで無駄の少ない製造に特に適しています。

ソレノイドの性能を向上させるために、MITの研究者たちは、より適切な特性を持ち、各材料を堆積させる温度をより正確に制御して欠陥を減らすことができる可能性のある代替材料を研究している。

MITの研究者が3倍の磁場を発生させるソレノイド電磁石を3Dプリント

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