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(noticias nanowerk) Imagine poder construir una máquina de diálisis completa usando solo una impresora 3D.
Esto no solo podría reducir los costos y eliminar el desperdicio de producción, sino que debido a que esta máquina podría fabricarse 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 varios obstáculos para desarrollar dispositivos electrónicos totalmente impresos en 3D, un equipo del MIT ha dado un paso importante en esta dirección al demostrar bobinas magnéticas tridimensionales totalmente impresas en 3D.
Los solenoides, electroimanes que consisten en una bobina de alambre enrollada alrededor de un núcleo magnético, son un componente fundamental de muchos dispositivos electrónicos, desde máquinas de diálisis y ventiladores hasta lavadoras y lavavajillas.
Los investigadores modificaron una impresora 3D multimaterial para que pudiera imprimir bobinas magnéticas compactas con un núcleo magnético en un solo paso. Esto evita errores que podrían ocurrir durante los procesos posteriores al montaje.
Esta impresora hecha a medida, que podía utilizar materiales más potentes que las impresoras comerciales típicas, permitió a los investigadores crear bobinas magnéticas que podían soportar el doble de corriente eléctrica y producir un campo magnético tres veces mayor que otros dispositivos impresos en 3D.
![Bobinas magnéticas tridimensionales impresas en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64713_1.jpg)
Este hardware de impresión no sólo podría abaratar la electrónica en la Tierra, sino que también podría ser particularmente útil en la exploración espacial. Por ejemplo, en lugar de transportar repuestos electrónicos a una base en Marte, lo que podría llevar años y costar millones de dólares, se podría enviar una señal con archivos para la impresora 3D, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico investigador senior de Microsistemas del MIT. Laboratorios de Ingeniería (MTL).
“No hay razón para producir hardware potente en unos pocos centros de producción cuando la demanda es global. En lugar de intentar enviar hardware a todo el mundo, ¿podemos brindar a las personas en lugares remotos la posibilidad de fabricarlo ellos mismos? «La fabricación aditiva puede desempeñar un papel muy importante en la democratización de estas tecnologías», añade Velásquez-García, autor principal de un nuevo artículo sobre solenoides impresos en 3D que aparece en la revista. Prototipos virtuales y físicos (“Bobinas magnéticas tridimensionales con un núcleo magnético blando mediante extrusión multimaterial”).
En el artículo lo ayuda el autor principal Jorge Cañada, estudiante de posgrado en ingeniería eléctrica e informática; y Hyeonseok Kim, un estudiante de ingeniería mecánica.
Beneficios aditivos
Un imán crea un campo magnético cuando una corriente eléctrica lo atraviesa. Por ejemplo, cuando alguien toca el timbre, una corriente eléctrica fluye a través de un imán, creando un campo magnético que mueve una varilla de hierro para que toque una campana.
La integración de solenoides en circuitos eléctricos fabricados en una sala limpia presenta desafíos importantes porque tienen factores de forma muy diferentes y se fabrican mediante procesos incompatibles que requieren un ensamblaje posterior. Como resultado, los investigadores han estudiado la fabricación de bobinas magnéticas utilizando muchos de los mismos procesos utilizados en la fabricación de chips semiconductores. Sin embargo, estas técnicas limitan el tamaño y la forma de los solenoides, lo que afecta el rendimiento.
![Impresora 3D multimaterial](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64713_2.jpg)
La fabricación aditiva se puede utilizar para crear dispositivos de prácticamente cualquier tamaño y forma. Sin embargo, esto conlleva sus propios desafíos, ya que hacer un imán implica enrollar capas delgadas de múltiples materiales, los cuales pueden no ser compatibles con una sola máquina.
Para superar estos desafíos, los investigadores tuvieron que modificar una impresora 3D de extrusión comercial.
La impresión por extrusión implica la creación de objetos capa por capa inyectando material a través de una boquilla. Normalmente, una impresora utiliza algún tipo de material de origen, a menudo carretes de filamento.
«Algunas personas en la industria los menosprecian porque son simples y no tienen muchas comodidades, pero la extrusión es uno de los pocos métodos que permite la impresión monolítica de múltiples materiales», dice Velásquez-García.
Esto es crucial porque las bobinas magnéticas se fabrican estratificando con precisión tres materiales diferentes: 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 eligió una impresora con cuatro boquillas, una para cada material, para evitar la contaminación cruzada. Necesitaban cuatro extrusoras porque estaban probando dos materiales magnéticos blandos, uno basado en un termoplástico biodegradable y el otro basado en nailon.
Impresión con pellets
Modificaron la impresora para que una boquilla pudiera expulsar pellets en lugar de filamento. El suave nailon magnético, que consiste en un polímero flexible lleno de micropartículas metálicas, es difícil de producir como filamento. Aun así, este material de nailon ofrece un rendimiento mucho mejor que las alternativas basadas en filamentos.
![Bobina eléctrica impresa en 3D](https://www.nanowerk.com/news2/gadget/id64713_3.jpg)
El uso del material conductor también planteó un desafío ya que comenzó a derretirse y a obstruir la boquilla. Los investigadores descubrieron que una ventilación adicional para enfriar el material lo impedía. 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 utilizada por otros a un costo menor que otros enfoques, añade Velásquez-García.
El hardware modificado imprime un imán 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 control preciso del proceso es primordial ya que cada material imprime a una temperatura diferente. Colocar materiales uno encima del otro en el momento equivocado puede causar 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 proceso de impresión les permitió construir un dispositivo tridimensional compuesto por 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 la válvula solenoide, lo que mejora la amplificación del campo magnético.
Gracias a la precisión adicional de la impresora modificada, pudieron producir bobinas magnéticas que eran aproximadamente un 33 por ciento más pequeñas que otras versiones impresas en 3D. Más bobinas en un área más pequeña también aumentan la ganancia.
Al final, sus bobinas magnéticas pudieron generar un campo magnético aproximadamente tres veces mayor que el que pueden lograr otros dispositivos impresos en 3D.
«No fuimos los primeros en poder imprimir inductores en 3D, pero sí fuimos los primeros en hacerlos tridimensionalmente, y eso aumenta en gran medida el tipo de valor que se puede generar». gama de aplicaciones”, afirma.
Por ejemplo, aunque estas bobinas magnéticas no pueden generar tanto campo magnético como las fabricadas con técnicas de fabricación tradicionales, podrían usarse como convertidores de potencia en pequeños sensores o actuadores en robots blandos.
Los investigadores quieren seguir mejorando su rendimiento en el futuro.
Por un lado, podrían intentar utilizar materiales alternativos que puedan tener mejores propiedades. También están explorando modificaciones adicionales que podrían controlar con mayor precisión la temperatura a la que se deposita cada material, reduciendo así los defectos.
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