Imagine construir una máquina de diálisis completa usando nada más que una impresora 3D.
Leyenda: Investigadores del MIT modificaron una impresora 3D multimaterial para que pudiera producir solenoides tridimensionales en un solo paso colocando capas de bobinas ultrafinas de tres materiales diferentes. Imprime un solenoide del tamaño de una moneda estadounidense en forma de espiral colocando capas de material alrededor del núcleo magnético blando, con capas conductoras más gruesas separadas por finas capas aislantes.
Ilustración de los investigadores.
Esto no solo podría reducir costos y eliminar desperdicios de fabricación, sino que además, dado que esta máquina podría producirse fuera de una fábrica, las personas con recursos limitados o quienes viven en áreas remotas podrían acceder a este dispositivo médico más fácilmente.
Si bien es necesario superar múltiples obstáculos para desarrollar dispositivos electrónicos totalmente impresos en 3D, un equipo del MIT ha dado un paso importante en esta dirección al demostrar solenoides tridimensionales totalmente impresos en 3D.
Los solenoides, electroimanes formados por una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo magnético, son un componente fundamental de muchos componentes electrónicos, desde máquinas de diálisis y respiradores hasta lavadoras y lavavajillas.
Los investigadores modificaron una impresora 3D multimaterial para que pudiera imprimir solenoides compactos con núcleo magnético en un solo paso. Esto elimina defectos que podrían introducirse durante los procesos posteriores al montaje.
Esta impresora personalizada, que podía utilizar materiales de mayor rendimiento que las impresoras comerciales típicas, 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.
Además de abaratar la electrónica en la Tierra, este hardware de impresión podría resultar especialmente útil en la exploración espacial. Por ejemplo, en lugar de enviar piezas electrónicas de repuesto a una base en Marte, lo que podría llevar años y costar millones de dólares, se podría enviar una señal que contenga archivos para la impresora 3D, dice Luis Fernando Velásquez-García, investigador principal del MIT. Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL).
“No hay razón para fabricar hardware capaz en sólo unos pocos centros de fabricación cuando la necesidad es global. En lugar de intentar enviar hardware a todo el mundo, ¿podemos capacitar a personas en lugares distantes para que lo fabriquen ellos mismos? La fabricación aditiva puede desempeñar un papel tremendo en términos de democratizar estas tecnologías”, añade Velásquez-García, autor principal de un nuevo artículo. artículo sobre los solenoides impresos en 3D que aparece en la revista Prototipos virtuales y físicos.
En el artículo lo acompañan el autor principal Jorge Cañada, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática; y Hyeonseok Kim, un estudiante graduado en ingeniería mecánica.
Ventajas aditivas
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.
La integración de solenoides en circuitos eléctricos fabricados en una sala limpia plantea desafíos importantes, ya que tienen factores de forma muy diferentes y se fabrican mediante procesos incompatibles que requieren un montaje posterior. En consecuencia, los investigadores 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.
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 una capa a la vez lanzando material a través de una boquilla. Normalmente, una impresora utiliza un tipo de material como materia prima, a menudo carretes de filamento.
“Algunas personas en el campo los menosprecian porque son simples y no tienen muchas comodidades, pero la extrusión es uno de los pocos métodos que permite realizar impresiones monolíticas multimateriales”, dice Velásquez-García.
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.
Impresión con pellets
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.
Incluso con las modificaciones del equipo, el hardware personalizado costó alrededor de $4,000, por lo que esta técnica podría ser empleada por otros a un costo menor que otros enfoques, agrega Velásquez-García.
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.
Controlar con precisión el proceso es de suma importancia porque cada material imprime a una temperatura diferente. Depositar uno encima de otro en el momento equivocado podría provocar que los materiales se manchen.
Debido a que su máquina podía imprimir con un material magnético blando más eficaz, los solenoides lograron un mayor rendimiento que otros dispositivos impresos en 3D.
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 por ciento más pequeños que otras versiones impresas en 3D. Más bobinas en un área más pequeña también aumentan la amplificación.
Al final, sus solenoides pudieron producir un campo magnético aproximadamente tres veces mayor que el que pueden lograr otros dispositivos impresos en 3D.
“No fuimos los primeros en poder fabricar inductores impresos en 3D, pero sí fuimos los primeros en hacerlos tridimensionales, y eso amplifica enormemente los tipos de valores que se pueden generar. Y eso se traduce en poder satisfacer una gama más amplia de aplicaciones”, afirma.
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.
En el futuro, los investigadores buscan seguir mejorando su desempeño.
Por un lado, podrían intentar utilizar materiales alternativos que podrían tener mejores propiedades. También están explorando modificaciones adicionales que podrían controlar con mayor precisión la temperatura a la que se deposita cada material, reduciendo los defectos.
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