7 minute read
Uskoro ćemo uređaj za dijalizu moći izraditi samo s pomoću 3D-pisača
Istraživači s Tehnološkog instituta Massachusetts u Bostonu razvili su proces ispisa elektromagneta s pomoću aditivne tehnologije. U potpunosti ispisani trodimenzijski solenoidi s mekom magnetskom jezgrom stvaraju tri puta jača magnetska polja nego li do sada. S time omogućavaju izradu elektronike, koja bi bila jeftinija i jednostavnija za izradu, kako na Zemlji, tako i u svemiru.
A time ne samo da bi smanjili troškove i uklonili otpad u proizvodnji. Dodana vrijednost znanstvenih rezultata je istodobno i decentralizacija procesa proizvodnje, koja omogućuje lakši pristup elektronskim uređajima. Uređaj mogu izraditi izvan tvornice korisnici s ograničenim sredstvima ili oni koji žive na udaljenim područjima. To svakako predstavlja neprocjenjivo olakšanje dobivanja medicinskih pomagala. Primjerice kod bubrežnih bolesti s uređajem za dijalizu.
Tim sveučilišta MIT je pri ostvarivanju ideje uzeo u obzir brojne prepreke razvoja elektronskih uređaja, koji su u cijelosti ispisani 3D-tehnikom. Istodobno su načinili važan iskorak u svladavanju prepreka i predstavili u potpunosti ispisane trodimenzijske solenoide. Solenoidi, elektromagneti, koje čini zavojnica žice, ovijena oko magnetske jezgre, temelji su element brojnih elektronskih uređaja, od uređaja za dijalizu i respiratora, do perilica za rublje ili posuđe. Istraživači su prilagodili 3D-pisač s više materijala, kako bi u jednom koraku mogao ispisati kompaktne solenoide s magnetskom jezgrom. Time su uklonili greške, koje bi se mogle pojaviti tijekom postupka naknadnog sastavljanja. Taj prilagođeni 3D-pisač, koji je mogao primijeniti materijale viših performansi nego li uobičajeni komercijalni pisači, istraživačima je omogućio izradu solenoida, koji su mogli izdržati dva puta višu struju i ostvariti tri puta jače magnetsko polje od drugih uređaja, ispisanih 3D-tehnikom.
Solenoidi omogućuju djelovanje izvan zemljine atmosfere
Pored toga, što bi elektronika bila jeftinija na Zemlji, takva 3D-ispisana oprema bila bi primjenjiva i pri istraživanju svemira. Umjesto da se šalju zamjenski elektronski dijelovi u bazu na Marsu, što bi moglo trajati više godina i koštati više milijuna eura, mogli bismo poslati signal s datotekama za 3D-pisač, pojasnio je dr. Lui Fernando Velásquez-García, glavni istraživač u Laboratorijima za mikrosistemsku tehnologiju na MIT. »Nema razloga da strojnu opremu izrađujemo u svega nekoliko proizvodnih centara kada je potreba globalna,« nastavio je dr. Velásquez-García. »Umjesto da šaljemo strojnu opremu po čitavom svijetu, zašto ne bismo ljudima u udaljenim krajevima omogućiti da je izrade sami? Aditivna proizvodnja može imati iznimnu ulogu u smislu demokratizacije tih tehnologija,« zaključio je glavni autor novog članka o 3D-ispisanim solenoidima, koji je objavljen u časopisu Virtual and Physical Prototyping.
Solenoid stvara magnetsko polje, kada kroz njega teče električna struja. Primjerice, kada netko pozvoni na vratima, električna struja teče kroz solenoid, koji stvara magnetsko polje, koje pomakne željeznu polugu da udara na zvono. Uključivanje elektromagneta u električne instalacije, izrađene u uvjetima čiste sobe, predstavlja veliki izazov, jer imaju različite faktore oblikovanja i izrađeni su nekompatibilnim postupcima koji zahtijevaju naknadnu montažu. Zato su istraživači proučavali izradu solenoida primjenom brojnih postupaka, kakvima se izrađuje poluvodički čip. Međutim, te tehnologije ograničavaju veličinu i oblik solenoida, što ograničava njihovu učinkovitost.
S aditivnom proizvodnjom moguće je izraditi uređaje praktično bilo kojeg oblika i veličine. Međutim, to predstavlja svoje izazove, jer izrada solenoida uključuje navijanje tankih slojeva od više materijala, koji možda nisu svi udruživi s jednim 3D-pisačem. Kako bi svladali te izazove, istraživači su morali prilagoditi komercijalni 3D-pisač koji djeluje na bazi ekstrudiranja.
Pri ekstruzijskom 3D-ispisu predmeti nastaju slaganjem slojeva, tako da se materijal nanosi kroz mlaznicu. Pisač obično primjenjuje jednu vrstu materijala, najčešće filamente. »Neki ljudi na tom području ih gledaju s visoka, jer su jednostavni, no ekstrudiranje je jedan od rijetkih postupaka, koji omogućuje monolitni ispis s više materijala,« rekao je dr. Velásquez-García. To je ključno, jer su solenoidi izrađeni s preciznim slaganjem u slojeve tri različita materijala – dielektričnog materijala koji služi kao izolator, provodnog materijala koji stvara električnu zavojnicu i mekanog magnetskog materijala koji predstavlja jezgru. Tim je izbrao 3D-pisač sa četiri mlaznice – po jedna namijenjena za svaki materijal, kako bi se spriječila unakrsna kontaminacija. Četiri mlaznicu su trebali, jer su provjeravali dva mekana magnetska materijala, jednog na bazi biološki razgradivog plastomera i drugog na osnovi poliamida.
Uporabna vrijednost granulata
Pisač su naknadno opremili tako, da je jedna mlaznica mogla ispisivati materijal u obliku granula umjesto filamenta. Mekani magnetski poliamid, koji je načinjen od savitljivog polimera, pomiješanog s metalnim mikročesticama, praktično je nemoguće izraditi kao filament. Unatoč tome, taj poliamidni materijal nudi mnogo bolje performanse od alternativnih materijala na osnovi filamenata. I primjena provodnog materijala predstavljala je izazov, jer bi se on počeo taliti i začepio bi mlaznicu. Istraživači su utvrdili, da je to moguće spriječiti dodavanjem prozračivanja za hlađenje materijala. Izradili su i novi držač za zavojnicu provodnog filamenta, koji je bio bliže mlaznici, što je smanjilo trenje, koje je moglo oštetiti tanke pramenove.
I uz promjene koje je načinio tim, prilagođena strojna oprema je koštala približno 4.000 eura, stoga bi tu tehniku mogli primjenjivati i drugi, a i dalje bi bila jeftinija od drugih pristupa, dodaje Velásquez-García. Preuređena stroja oprema ispiše solenoid veličine američke kovanice od 25 centi u obliku spirale sa slojevima materijala oko mekane magnetske jezgre, pri čemu su deblji provodni slojevi odvojeni s tankim izolacijskim slojevima. Precizno upravljanje procesom je iznimno važno, jer se svaki materijal ispisuje pri različitim temperaturama. Ukoliko bi materijal jedan na drugi nanosili u pogrešnom trenutku, moglo bi doći do razmazivanja materijala.
Kako je njihov 3D-pisač mogao ispisivati učinkovitiji mekani magnetski materijal, solenoidi su postizali bolje performanse od drugih uređaja, ispisanih 3D-pisačem. Postupak ispisa im je omogućavao izradu trodimenzijskog uređaja, sastavljenog od osam slojeva, pri čemu su zavojnice od provodnog i izolacijskog materijala složene oko jezgre kao spiralne stepenice. Više slojeva povećava broj zavojnica u solenoidu, što poboljšava pojačavanje magnetskog polja. Zbog dodatne točnosti modificiranog pisača, mogli su izraditi solenoide, koji su bili za približno 33 posto manji od drugih inačica, ispisanih 3D-pisačem. Više zavojnica na manjoj površini također poboljšava pojačanje. Na kraju su njihovi solenoidi mogli stvarati magnetsko polje, koje je približno tri puta jače od onog, koje mogu postići drugi 3D-ispisani uređaji.
»Nismo bili prvi, koji smo mogli izraditi induktore, ispisane 3D-tehnikom, no prvi smo, koji smo ih načinili trodimenzionalnima, što bitno poboljšava niz vrijednosti koje možete ostvariti na taj način. To znači, da možemo zadovoljiti širi spektar aplikacija,« zaključio je voditelj tima istraživača na MIT, koji istražuje ograničenja smanjivanja opsega i multipleksiranja sustava, sastavljenih od niza elemenata, primjenom miro- i nanostruktura za optimiranje djelovanja sustava.
Usredotočeni na bolju učinkovitost
Iako ti solenoidi ne mogu stvarati toliko veliko magnetsko polje, kao solenoidi izrađeni tradicionalnim tehnikama izrade, moguće ih je primjerice primijeniti kao pretvornike energije u manjim senzorima ili aktuatore u mekanim robotima. Istraživači žele i dalje poboljšavati njihovu učinkovitost. Tako bi mogli primijeniti i druge materijale, koji imaju bolja svojstva. Istražuju i dodatne modifikacije, s kojima bi mogli preciznije kontrolirati temperaturu, pri kojoj se nanosi pojedini materijal, što bi smanjilo broj grešaka. www.mit.edu
