Da li ćemo aparat za dijalizu uskoro izrađivati sami samo pomoću 3D štampača?

Istraživači Tehnološkog instituta Massachusetts u Bostonu izumeli su proces štampanja elektromagneta pomoću aditivne tehnologije. U potpunosti štampani trodimenzionalni solenoidi s mekim magnetnim jezgrom stvaraju tri puta veća magnetna polja nego što je to bio slučaj do sada. Ovim bi omogućili izradu elektronike koja bi bila jeftinija i jednostavnija za izradu kako na Zemlji tako i u svemiru.

Na taj način se ne bi samo smanjili troškovi i otklonio otpad iz proizvodnje. Dodatna vrednost naučnih saznanja je i decentralizacija procesa izrade, što omogućava lakši pristup elektronskim uređajima. Korisnici ili oni koji žive u udaljenim oblastima mogli bi da izrađuju mašinu van fabrike. Ovo svakako neprocenjivo olakšava obezbeđivanje medicinskih sredstava, na primer aparata za dijalizu kada je reč o bolestima bubrega. Prilikom realizacije ideje, ekipa univerziteta MIT imala je u vidu brojne prepreke razvoja elektronskih uređaja koji su u potpunosti odštampani u 3D tehnici. Istovremeno su napravili važan korak u prevazilaženju prepreka i predstavili su u potpunosti odštampane trodimenzionalne solenoide. Solenoidi – elektromagneti napravljeni od kalema žice namotane oko magnetnog jezgra predstavljaju osnovni sastavni element elektronskih uređaja, od aparata za dijalizu i respiratora do mašina za pranje rublja i mašina za pranje posuđa. Istraživači su prilagodili 3D štampač sa više materijala kako bi u jednom koraku mogao da odštampa kompaktne solenoide s magnetnim jezgrom. Time su otklonili greške koje bi mogle da se pojave tokom postupka naknadnog sastavljanja. Ovaj prilagođeni štampač, kod kojeg je bilo moguće korišćenje otpornijih materijala u poređenju s običnim komercijalnim štampačima, istraživačima je omogućio izradu solenoida koji su mogli da izdrže dva puta veću električnu struju i da stvore tri puta veće magnetno polje u odnosu na druge uređaje odštampane u 3D tehnici.

Solenoid je vrsta elektromagneta koji sačinjavaju kalem žice čija je dužina suštinski veća od njegovog prečnika koji stvara kontrolisano magnetno polje. Sastoji se od kalema, kućišta i pokretnog klipa (armature). Napajanjem električnom energijom oko zavojnice nastane magnetno polje koje povuče klip. Ukratko, elektromagnetni uređaj pretvara električnu energiju u mehanički rad. Na fotografiji je prikazana ravnoteža solenoida

Fotografija: Siemens

Istraživači univerziteta MIT izmenili su 3D štampač za više materijala tako da je u jednom koraku napravio trodimenzionalne solenoide nanošenjem slojeva izuzetno tankih kalemova od tri različita materijala. Štampač odštampa solenoid veličine novčića SAD od četvrt dolara u obliku spirale uz nanošenje slojeva materijala oko mekog magnetnog jezgra, pri čemu su deblji provodni slojevi odvojeni tankim izolacionim slojevima

Fotografija: MIT

Solenoidi omogućavaju rad van Zemljine atmosfere

Osim što bi elektronika na Zemlji bila jeftinija, ova oprema za štampu mogla bi da bude naročito korisna u istraživanju svemira. „Umesto slanja elektronskih delova u bazu na Marsu, što bi moglo da traje više godina i da košta više miliona evra, mogli bismo da pošaljemo signal sa datotekama za 3D štampač”, objasnio je dr Luis Fernando Velásquez-García, glavni istraživač u Laboratorijama za mikrosistemsku tehnologiju na univerzitetu MIT.

„Nema razloga da snažne mašine izrađujemo u samo nekoliko proizvodnih centara, a potreba je globalna,” dodaje dr Velásquez-García. „Umesto što pokušavamo da šaljemo mašine širom sveta, zašto ljudima u dalekim krajevima ne omogućimo da je naprave sami? Aditivna proizvodnja može da ima izuzetnu ulogu u smislu demokratizacije ovih tehnologija”, zaključuje glavni autor novog članka o solenoidima iz 3D štampe, koji je objavljen u časopisu Virtual and Physical Prototyping.

Solenoid stvara magnetno polje kada kroz njega prolazi električna struja. Na primer, kad neko pozvoni kod ulaznih vrata, električna struja prolazi kroz solenoid koji stvara magnetno polje. Potonje pomera metalnu šipku kako bi udarila o zvono. Uključivanje elektromagneta u električna kola napravljena u čistoj sobi predstavlja veliki izazov, pošto imaju veoma različite faktore oblika i napravljeni su pomoću nekompatibilnih postupaka koji iziskuju naknadnu montažu. Zato su istraživači proučavali izradu solenoida primenom brojnih jednakih postupaka, poput izrade poluprovodničkih čipova. Ipak, ove tehnike ograničavaju veličinu i oblik solenoida, što ograničava njihovu efikasnost.

Aditivnom proizvodnjom moguće je napraviti uređaje praktično proizvoljne veličine i oblika. Međutim, ovo ima svoje izazove, pošto izrada solenoida podrazumeva namotavanje tankih slojeva od više materijala, koji možda nisu kompatibilni na jednoj mašini. Kako bi prevazišli ove izazove, istraživači su morali da prilagode komercijalni 3D štampač za ekstruziju.

Istraživači su izmenili 3D štampač sa više materijala kako bi u jednom koraku mogao da odštampa kompaktne solenoide s magnetnim jezgrom. Time su otklonili greške koje bi mogle da se pojave tokom postupka naknadnog sastavljanja

Fotografija: MIT

Kod štampe ekstruzijom predmeti nastaju nanošenjem slojeva, tako što se materijal ubrizgava kroz mlaznicu. Štampač obično koristi jednu vrstu sirovine za materijal, često su to kalemi filamenta. „Neki ljudi iz ove oblasti potcenjuju ove kaleme, jer su jednostavni i nemaju mnogo dodatnih mogućnosti, iako je ekstruzija jedna od retkih metoda koje omogućavaju monolitno štampanje od više materijala”, smatra dr Velásquez-García. Ovo je ključno, pošto su solenoidi napravljeni preciznim nanošenjem slojeva od tri različita materijala – dielektričnog materijala koji služi kao izolator, provodnog materijala od kojeg je napravljen električni kalem i mekog magnetnog materijala od kojeg je napravljeno jezgro.

Ekipa je izabrala štampač sa četiri mlaznice – za svaki materijal po jedna, kako bi se sprečila unakrsna kontaminacija. Bile su neophodne četiri brizgalice, jer su isprobali dva meka magnetna materijala: jednog na bazi biorazgradivog termoplasta, a drugog na bazi najlona.

Solenoidi su napravljeni preciznim nanošenjem slojeva od tri različita materijala – dielektričnog materijala koji služi kao izolator, provodnog materijala od kojeg je napravljen električni kalem i mekog magnetnog materijala koji sačinjava jezgro. Meki magnetni materijal, koji su koristili istraživači i u obliku je peleta, pruža veću izdržljivost od materijala koji se zasnivaju na nitima

Fotografija: MIT

Upotrebljiva vrednost granulata

Štampač su naknadno opremili tako da je jedna mlaznica mogla da istiskuje pelete umesto filamenta. Mek magnetni najlon napravljen od savitljivog polimera po kome su posute metalne mikročestice praktično je nemoguće napraviti u obliku filamenta. Ovaj najlonski materijal znatno je izdržljiviji od alternativnih materijala koji se zasnivaju na filamentima.

Izazov je bila i primena provodnog materijala, pošto bi počeo da se topi i zapušio bi mlaznicu. Istraživači su utvrdili da je ovo onemogućilo dodavanje provetravanja za hlađenje materijala. Napravili su i novi stalak za navoj provodnog filamenta, koji je bio bliži mlaznici, čime je smanjeno trenje koje bi moglo da ošteti tanke pramenove.

„Uz izmene koje je izvršila ekipa, prilagođena mašina koštala bi približno 4000 evra. Stoga bi ovu tehniku mogli da koriste i drugi, tako da bi bila jeftinija od drugih pristupa”, dodaje Velásquez-García. Prepravljena mašina odštampa solenoid veličine američkog novčića od 25 centa u obliku spirale uz nanošenje slojeva materijala oko mekog magnetnog jezgra, pri čemu su deblji provodni slojevi odvojeni tankim izolacionim slojevima. Precizna kontrola procesa izuzetno je važna, pošto se svaki materijal štampa na drugačijoj temperaturi. Ako bismo jedan materijal naneli na drugi u neodgovarajuće vreme, materijali bi mogli da se razmažu.

Pošto je njihova mašina mogla da štampa koristeći efikasniji meki magnetni materijal, solenoidi su u ovom slučaju postigli veću efikasnost u poređenju sa drugim uređajima štampanim pomoću 3D štampača.

Metod štampanja im je omogućio izradu trodimenzionalnog uređaja, sastavljenog od osam slojeva, pri čemu su kalemovi provodnog i izolacionog materijala naslagani oko jezgra poput spiralnog stepeništa. Više slojeva povećava broj kalemova u solenoidu, što poboljšava ojačanje magnetnog polja. Zahvaljujući dodatnoj preciznosti modifikovanog štampača mogli su da naprave solenoide koji su za približno 33 odsto manji od drugih verzija štampanih pomoću 3D štampača. Više kalemova na manjoj površini takođe doprinosi pojačanju. Na kraju su njihovi solenoidi mogli da stvore magnetno polje koje je bilo približno tri puta veće od magnetnog polja koje postižu drugi uređaji štampani tehnikom 3D štampe.

„Nismo prvi koji su uspeli da naprave induktore štampane 3D tehnikom, ali smo prvi koji su napravili trodimenzionalne induktore, što znatno proširuje spektar različitih vrednosti koje možete postići. To znači da možemo da ispunimo uslove za širi spektar primena,” zaključuje rukovodilac istraživačke grupe Univerziteta MIT, koji istražuje ograničenja smanjenja opsega i multipleksiranja sistema sastavljenih iz niza elemenata primenom mikrostruktura i nanostruktura za optimizaciju rada sistema.

Usredsređeni na bolju efikasnost

Iako ovi solenoidi ne mogu da stvore tako veliko magnetno polje kao solenoidi napravljeni tradicionalnim tehnikama izrade, mogu se upotrebiti na primer kao pretvarači energije u malim senzorima ili kao pokretači u mekim robotima. Istraživači žele da nastave da unapređuju njihovu efikasnost. Tako bi mogli da pokušaju sa primenom drugih materijala koji bi mogli da imaju bolja svojstva. Takođe istražuju dodatne izmene kojima bi mogli da preciznije upravljaju temperaturom na kojoj se izbacuje određeni materijal, čime bi smanjili broj grešaka.