El Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT) ha modificado una impresora 3D multimaterial para que pueda imprimir solenoides compactos con núcleo magnético en un solo paso, eliminando los defectos que podrían introducirse durante los procesos posteriores al montaje. Los solenoides impresos podrían permitir que los dispositivos electrónicos cuesten menos y sean más fáciles de fabricar.
Esta impresora personalizada permitió a los investigadores producir solenoides que podían soportar el doble de corriente eléctrica y generar un campo magnético tres veces mayor que otros dispositivos impresos en 3D.
Un solenoide genera un campo magnético cuando una corriente eléctrica pasa a través de él. Cuando alguien toca el timbre, por ejemplo, la corriente eléctrica fluye a través de un solenoide, que genera un campo magnético que mueve una varilla de hierro para que suene un timbre.
Los científicos han investigado la fabricación de solenoides utilizando muchos de los mismos procesos que se utilizan para fabricar chips semiconductores. Pero estas técnicas limitan el tamaño y la forma de los solenoides, lo que dificulta el rendimiento.
Impresión de tres materiales
Con la fabricación aditiva, se pueden producir dispositivos de prácticamente cualquier tamaño y forma. Sin embargo, esto presenta sus propios desafíos, ya que fabricar un solenoide implica enrollar capas delgadas hechas de múltiples materiales que pueden no ser todos compatibles con una sola máquina.
Para superar estos desafíos, los investigadores necesitaron modificar una impresora 3D de extrusión comercial. La impresión por extrusión fabrica objetos de una capa a la vez que inyecta material a través de una boquilla. Normalmente, una impresora utiliza un tipo de material como materia prima, a menudo carretes de filamento.
Esto es clave, ya que los solenoides se producen colocando con precisión tres materiales diferentes en capas: un material dieléctrico que sirve como aislante, un material conductor que forma la bobina eléctrica y un material magnético blando que forma el núcleo.
El equipo seleccionó una impresora con cuatro boquillas, una dedicada a cada material para evitar la contaminación cruzada. Necesitaron cuatro extrusoras porque probaron dos materiales magnéticos blandos, uno a base de un termoplástico biodegradable y el otro a base de nailon.
Actualizaron la impresora para que una boquilla pudiera extruir gránulos, en lugar de filamento. El suave nailon magnético, que está hecho de un polímero flexible tachonado de micropartículas metálicas, es prácticamente imposible de producir como filamento. Sin embargo, este material de nailon ofrece un rendimiento mucho mejor que las alternativas basadas en filamentos.
El uso del material conductor también planteaba desafíos, ya que comenzaría a derretirse y atascaría la boquilla. Los investigadores descubrieron que agregar ventilación para enfriar el material impedía esto. También construyeron un nuevo portacarretes para el filamento conductor que estaba más cerca de la boquilla, reduciendo la fricción que podría dañar los finos hilos.
Dispositivo tridimensional del tamaño de una moneda
El hardware modificado imprime un solenoide del tamaño de una moneda estadounidense en forma de espiral al colocar capas de material alrededor del núcleo magnético blando, con capas conductoras más gruesas separadas por finas capas aislantes.
El método de impresión les permitió construir un dispositivo tridimensional compuesto de ocho capas, con bobinas de material conductor y aislante apiladas alrededor del núcleo como una escalera de caracol. Múltiples capas aumentan el número de bobinas en el solenoide, lo que mejora la amplificación del campo magnético.
Debido a la precisión adicional de la impresora modificada, pudieron fabricar solenoides que eran aproximadamente un 33% más pequeños que otras versiones impresas en 3D. Al final, sus solenoides pudieron producir un campo magnético aproximadamente tres veces mayor que el que pueden lograr otros dispositivos impresos en 3D.
Por ejemplo, si bien estos solenoides no pueden generar tanto campo magnético como los fabricados con técnicas de fabricación tradicionales, podrían usarse como convertidores de potencia en pequeños sensores o actuadores en robots blandos.