MITの研究者らは、複雑な電子機器の主要部品をワンステップで製造できる3Dプリント電磁石技術を開発

この投稿は Bingdunxiong によって 2024-2-27 08:22 に最後に編集されました

2024年2月26日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者が、3Dプリントを使用して複雑な電磁コイル（磁心にコイルを巻いて形成された電磁石）をワンステップで製造できる方法を開発したことを知りました。このようなコイルは、透析装置から人工呼吸器、洗濯機に至るまで、多くの電子機器に不可欠な部品です。電流を流す導体を通して磁場を発生させます。従来、電磁コイルの製造には複雑な処理手順と特殊な装置が必要でしたが、この研究では、3D プリント技術を使用することで、そのようなデバイスをより簡単に製造できることが示されています。

△改良されたマルチマテリアル 3D プリンティングを使用して印刷されたコンパクトな電磁コイル研究者らは、マルチマテリアル 3D プリンターを改良し、コンパクトな電磁コイルを 1 つのステップで印刷できるようにして、組み立て後の段階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電磁コイルを製造できます。

△この研究は、「マルチマテリアル押し出しによる3次元軟磁性コアソレノイドの実現」というタイトルでVirtual and Physical Prototyping誌に掲載されました（ポータル）
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、この印刷ハードウェア技術は、地球上の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ると語る。たとえば、交換部品を発送する代わりに、何年もかかり、数百万ドルの費用がかかる代わりに、3D プリントされたデジタルファイルを火星基地に送ることができるようになります。

「需要が世界規模であるなら、それを少数の製造拠点に留めておく理由はない」とベラスケス＝ガルシア氏は強調した。「ハードウェアを世界中に輸送する代わりに、遠く離れた場所の人々がハードウェアを自分で作れるようにできないか。付加製造は、こうした技術を民主化する上で大きな役割を果たすことができる。」

△3Dプリント改造パーツ
積層造形の利点

MITの電磁コイルは、絶縁体として機能する誘電体、コイルを構成する導電材料、コアを構成する軟磁性材料という3つの異なる材料を精密に重ね合わせて作られています。

電流がソレノイドを通過すると、磁場が発生します。たとえば、ドアベルを鳴らすと、ソレノイドに電流が流れ、磁場が生成されて鉄の棒が動き、ドアベルが鳴ります。クリーンルームで製造された回路基板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、互換性のないプロセスを使用し、後組み立てが必要となるため、大きな課題となります。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可能性を探りました。しかし、これらの技術ではソレノイドのサイズと形状が制限され、その性能に影響を及ぼします。

3D プリント技術を使用すると、ほぼあらゆるサイズと形状のデバイスを作成できます。しかし、ソレノイドの製造にはさまざまな材料で作られた薄い層を巻く必要があり、そのすべてが単一の機械に適合するとは限らないため、課題も生じます。これらの課題に対処するために、研究者は市販の押し出し 3D プリンターを改造する必要がありました。

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。

「押し出し式 3D プリンターは単純で機能が限られているとして無視する人もいる」とベラスケス・ガルシア氏は指摘する。しかし、押し出し型 3D プリンターは、複数の材料を統合して成形できる数少ない方法の 1 つです。 ”

△コア付きソレノイドを製造する2段階法
ソレノイドの小型化

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すようにプリンターを改造した。軟磁性ナイロンは、小さな金属粒子が散りばめられた柔軟なポリマーから作られており、フィラメント状に成形することはほぼ不可能です。しかし、このナイロン素材の性能は、フィラメント素材の性能をはるかに上回ります。

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。研究者たちは、材料を冷却するために換気装置を追加することでこれを回避できることを発見した。また、導電性フィラメントをノズルに近づけてフィラメントを損傷する可能性のある摩擦を減らす新しいスプールホルダーも開発しました。

△本研究で使用したE3D ToolChanger 3Dプリンター。プリンターのフレームの幅と奥行きは約22インチです
ベラスケス＝ガルシア氏は、チームの改造後でも、特注ハードウェアのコストは約4,000ドル（約28万元）だったと語った。しかし、この技術は他の方法よりも安価です。

このカスタム 3D 印刷装置は、軟磁性コアの周りに材料を重ねることで、電磁石を螺旋状に印刷します。厚い導電層は薄い絶縁層で区切られており、サイズは米国の 25 セント硬貨ほどしかありません。したがって、各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。ある材料を別の材料の上に間違ったタイミングで堆積すると、間違った材料が堆積される可能性があります。したがって、軟磁性材料を使用してソレノイドを印刷すると、より強力で信頼性の高い電磁石を製造でき、さまざまなアプリケーションで競争上の優位性が得られます。

この印刷方法により、研究者は、導電性材料と絶縁性材料のコイルを螺旋階段のようにコアの周りに積み重ねた、8層のソレノイドで構成された3Dプリントデバイスを作成することができました。多層構造により電磁石内のコイル数が増加し、磁場の増幅効果が向上します。

△ 3D プリントされたインダクタのクローズアップ断面図。層間の電気的接続を示しています (a)。また、絶縁層のさまざまな形状を示す分解図も示しています (b)。
研究チームによれば、改良されたプリンターの精度が向上したおかげで、彼らが作ったソレノイドは他の3Dプリントバージョンよりも33%小型化されたという。より狭い領域により多くのコイルを収めることで、増幅を高めることもできます。

「3Dプリント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次元的に作ったのは当社が初めてです」とベラスケス・ガルシア氏は言う。「つまり、より幅広い用途に対応できるということです。」

例えば、これらの電磁石は、従来の製造方法で作られたものほど大きな磁場を生成しませんが、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ーとして使用できます。

このイノベーションにより、コストが削減され、製造廃棄物が最小限に抑えられ、遠隔地や資源の限られた地域の人々が医療機器をより利用しやすくなることが期待されます。電磁石の性能をさらに向上させるために、MIT の研究者たちは、より適切な特性を持つ可能性のある代替材料を研究しています。また、各材料を堆積させる温度をより正確に制御し、欠陥を減らすためのさらなる改良も検討しています。

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