Elettronica stampata in 3D

Immagina di poter costruire un'intera macchina per la dialisi utilizzando nient'altro che una stampante 3D. Ciò potrebbe non solo ridurre i costi ed eliminare gli sprechi di produzione, ma poiché questa macchina potrebbe essere prodotta al di fuori di una fabbrica, le persone con risorse limitate o coloro che vivono in aree remote potrebbero essere in grado di accedere più facilmente a questo dispositivo medico. Mentre è necessario superare numerosi ostacoli per sviluppare dispositivi elettronici interamente stampati in 3D, un team del MIT ha compiuto un passo importante in questa direzione dimostrando solenoidi tridimensionali completamente stampati in 3D.

I solenoidi, elettromagneti formati da una bobina di filo avvolto attorno a un nucleo magnetico, sono un elemento fondamentale di molti dispositivi elettronici, dalle macchine per dialisi e respiratori alle lavatrici e lavastoviglie.

I ricercatori hanno modificato una stampante 3D multimateriale in modo che potesse stampare solenoidi compatti con nucleo magnetico in un unico passaggio. Ciò elimina i difetti che potrebbero essere introdotti durante i processi post-assemblaggio.

Questa stampante personalizzata, che potrebbe utilizzare materiali con prestazioni più elevate rispetto alle tipiche stampanti commerciali, ha consentito ai ricercatori di produrre solenoidi in grado di resistere al doppio della corrente elettrica e generare un campo magnetico tre volte più grande rispetto ad altri dispositivi stampati in 3D.

«Oltre a rendere l’elettronica più economica sulla Terra, questo hardware di stampa potrebbe essere particolarmente utile nell’esplorazione spaziale. Ad esempio, invece di spedire parti elettroniche sostitutive a una base su Marte, cosa che potrebbe richiedere anni e costare milioni di dollari, si potrebbe inviare un segnale contenente file per la stampante 3D», afferma il dottor Luis Fernando Velásquez-García (1), uno dei principali ricercatori del MIT.

«Non c’è motivo di realizzare hardware efficiente solo in pochi centri di produzione quando la necessità è globale. Invece di cercare di spedire hardware in tutto il mondo, possiamo consentire alle persone in luoghi lontani di realizzarlo da sole? La produzione additiva può svolgere un ruolo straordinario in termini di democratizzazione di queste tecnologie», aggiunge Velásquez-García, autore senior di un nuovo articolo sui solenoidi stampati in 3D pubblicato sulla rivista Virtual and Physical Prototyping (2).

A lui si unisce l'autore principale Jorge Cañada, uno studente laureato in ingegneria elettrica e informatica; e Hyeonseok Kim, uno studente laureato in ingegneria meccanica.

Vantaggi aggiuntivi

Un solenoide genera un campo magnetico quando viene attraversato da una corrente elettrica. Quando qualcuno suona un campanello, ad esempio, la corrente elettrica scorre attraverso un solenoide, che genera un campo magnetico muovendo un'asta di ferro in modo da far suonare un campanello.

L'integrazione dei solenoidi sui circuiti elettrici prodotti in una camera bianca pone sfide significative, poiché hanno fattori di forma molto diversi e sono realizzati utilizzando processi incompatibili che richiedono un post-assemblaggio. Di conseguenza, i ricercatori hanno studiato la realizzazione di solenoidi utilizzando molti degli stessi processi utilizzati per realizzare i chip semiconduttori. Ma queste tecniche limitano le dimensioni e la forma dei solenoidi, il che ne ostacola le prestazioni.

Con la produzione additiva è possibile produrre dispositivi praticamente di qualsiasi dimensione e forma. Tuttavia, questo presenta le sue sfide, poiché la realizzazione di un solenoide comporta l’avvolgimento di strati sottili costituiti da più materiali che potrebbero non essere tutti compatibili con una macchina.

Per superare queste sfide, i ricercatori dovevano modificare una stampante 3D a estrusione commerciale.

La stampa per estrusione fabbrica oggetti uno strato alla volta spruzzando materiale attraverso un ugello. In genere, una stampante utilizza un tipo di materia prima, spesso bobine di filamento.

«Alcune persone di quel settore non apprezzano, ma l'estrusione è uno dei pochissimi metodi che consente di eseguire una stampa multimateriale e monolitica», afferma Velásquez-García.

Questo è fondamentale, poiché i solenoidi sono prodotti stratificando con precisione tre materiali diversi: un materiale dielettrico che funge da isolante, un materiale conduttivo che forma la bobina elettrica e un materiale magnetico morbido che costituisce il nucleo.

Il team ha selezionato una stampante con quattro ugelli, uno dedicato a ciascun materiale per prevenire la contaminazione incrociata. Avevano bisogno di quattro estrusori perché hanno provato due materiali magnetici morbidi, uno a base di materiale termoplastico biodegradabile e l'altro a base di nylon.

Stampa con pellet

Hanno adattato la stampante in modo che un ugello potesse estrudere pellet, anziché filamenti. Il morbido nylon magnetico, costituito da un polimero flessibile tempestato di microparticelle metalliche, è praticamente impossibile da produrre come filamento. Eppure questo materiale in nylon offre prestazioni di gran lunga migliori rispetto alle alternative basate su filamenti.

Anche l’uso del materiale conduttivo poneva delle sfide, poiché avrebbe iniziato a sciogliersi e a inceppare l’ugello. I ricercatori hanno scoperto che l’aggiunta di ventilazione per raffreddare il materiale impediva questo. Hanno anche costruito un nuovo porta bobina per il filamento conduttivo più vicino all'ugello, riducendo l'attrito che potrebbe danneggiare i fili sottili.

«Anche con le modifiche apportate dal team, l'hardware personalizzato costa circa 4.000 dollari, quindi questa tecnica potrebbe essere adottata da altri a un costo inferiore rispetto ad altri approcci», aggiunge Velásquez-García.

L'hardware modificato stampa un solenoide americano delle dimensioni di un quarto come una spirale stratificando materiale attorno al nucleo magnetico morbido, con strati conduttivi più spessi separati da sottili strati isolanti.

Controllare con precisione il processo è di fondamentale importanza perché ogni materiale viene stampato a una temperatura diversa. Depositarli uno sopra l'altro nel momento sbagliato potrebbe causare sbavature dei materiali.

Poiché la loro macchina poteva stampare con un materiale magnetico morbido più efficace, i solenoidi hanno raggiunto prestazioni più elevate rispetto ad altri dispositivi stampati in 3D.

Il metodo di stampa ha permesso loro di costruire un dispositivo tridimensionale composto da otto strati, con bobine di materiale conduttivo e isolante impilate attorno al nucleo come una scala a chiocciola. Più strati aumentano il numero di bobine nel solenoide, migliorando l'amplificazione del campo magnetico.

Grazie alla maggiore precisione della stampante modificata, è stato possibile realizzare solenoidi più piccoli di circa il 33% rispetto ad altre versioni stampate in 3D. Anche più bobine in un'area più piccola aumentano l'amplificazione.

Alla fine, i loro solenoidi potrebbero produrre un campo magnetico circa tre volte più grande di quello che possono ottenere altri dispositivi stampati in 3D.

«Non siamo stati i primi nel realizzare induttori stampati in 3D, ma siamo stati i primi a renderli tridimensionali e questo amplifica notevolmente i tipi di valori che è possibile generare. E questo si traduce nella capacità di soddisfare una gamma più ampia di applicazioni», afferma lo scienziato.

Ad esempio, sebbene questi solenoidi non possano generare tanto campo magnetico quanto quelli realizzati con tecniche di fabbricazione tradizionali, potrebbero essere utilizzati come convertitori di potenza in piccoli sensori o attuatori in robot morbidi.

Guardando al futuro, i ricercatori stanno cercando di continuare a migliorare le loro prestazioni.

Per prima cosa, potrebbero provare a utilizzare materiali alternativi con proprietà migliori. Stanno inoltre esplorando ulteriori modifiche che potrebbero controllare in modo più preciso la temperatura alla quale viene depositato ciascun materiale, riducendo i difetti.

Riferimenti:

(1) Luis Fernando Velásquez-García

(2) Three-dimensional, soft magnetic-cored solenoids via multi-material extrusion

Descrizione foto: I ricercatori del MIT hanno modificato una stampante 3D multi-materiale in modo che potesse produrre solenoidi tridimensionali in un unico passaggio sovrapponendo bobine ultrasottili di tre materiali diversi. Stampa un solenoide americano di dimensioni pari a un quarto come una spirale stratificando materiale attorno al nucleo magnetico morbido, con strati conduttivi più spessi separati da sottili strati isolanti. - Credit: Per gentile concessione dei ricercatori.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT engineers 3D print the electromagnets at the heart of many electronics