Les chercheurs du MIT ont modifié une imprimante 3D multi-matériaux afin qu’elle puisse produire des solénoïdes tridimensionnels en une seule étape en superposant des bobines ultrafines de trois matériaux différents. Il imprime un solénoïde américain de taille quart sous forme de spirale en superposant un matériau autour du noyau magnétique doux, avec des couches conductrices plus épaisses séparées par de fines couches isolantes. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Les solénoïdes imprimés pourraient permettre une électronique moins coûteuse et plus facile à fabriquer – sur Terre ou dans l’espace.
Imaginez pouvoir construire une machine de dialyse complète en utilisant rien de plus qu’une imprimante 3D.
Cela pourrait non seulement réduire les coûts et éliminer les déchets de fabrication, mais comme cette machine pourrait être produite en dehors d’une usine, les personnes disposant de ressources limitées ou celles vivant dans des régions éloignées pourraient accéder plus facilement à ce dispositif médical.
Alors que de nombreux obstacles doivent être surmontés pour développer des appareils électroniques entièrement imprimés en 3D, une équipe de MIT a fait un pas important dans cette direction en démontrant des solénoïdes tridimensionnels entièrement imprimés en 3D.
Percée dans l’électronique imprimée en 3D
Les solénoïdes, des électroaimants formés par une bobine de fil enroulée autour d’un noyau magnétique, sont un élément fondamental de nombreux appareils électroniques, des machines de dialyse et respirateurs aux machines à laver et lave-vaisselle.
Les chercheurs ont modifié une imprimante 3D multimatériaux afin qu’elle puisse imprimer des solénoïdes compacts à noyau magnétique en une seule étape. Cela élimine les défauts qui pourraient être introduits lors des processus de post-assemblage.
Cette imprimante personnalisée, qui pouvait utiliser des matériaux plus performants que les imprimantes commerciales classiques, a permis aux chercheurs de produire des solénoïdes capables de résister à deux fois plus de courant électrique et de générer un champ magnétique trois fois plus grand que celui des autres appareils imprimés en 3D.
Les chercheurs ont modifié une imprimante 3D multimatériaux afin qu’elle puisse imprimer des solénoïdes compacts à noyau magnétique en une seule étape. Cela élimine les défauts qui pourraient être introduits lors des processus de post-assemblage. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
En plus de rendre l’électronique moins chère sur Terre, ce matériel d’impression pourrait être particulièrement utile dans l’exploration spatiale. Par exemple, au lieu d’expédier des pièces électroniques de remplacement à une base sur Marsce qui pourrait prendre des années et coûter des millions de dollars, on pourrait envoyer un signal contenant des fichiers pour l’imprimante 3D, explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT.
« Il n’y a aucune raison de fabriquer du matériel performant dans seulement quelques centres de fabrication alors que le besoin est mondial. Au lieu d’essayer d’expédier du matériel partout dans le monde, pouvons-nous permettre aux personnes vivant dans des endroits éloignés de le fabriquer elles-mêmes ? La fabrication additive peut jouer un rôle considérable en termes de démocratisation de ces technologies », ajoute Velásquez-García, auteur principal d’un nouvel article sur les solénoïdes imprimés en 3D paru dans la revue Prototypage Virtuel et Physique.
Il est rejoint dans l’article par l’auteur principal Jorge Cañada, étudiant diplômé en génie électrique et en informatique ; et Hyeonseok Kim, étudiant diplômé en génie mécanique.
Avantages additifs
Un solénoïde génère un champ magnétique lorsqu’un courant électrique le traverse. Par exemple, lorsque quelqu’un sonne à une porte, le courant électrique circule à travers un solénoïde, qui génère un champ magnétique qui déplace une tige de fer jusqu’à ce qu’elle déclenche un carillon.
L’intégration de solénoïdes sur des circuits électriques fabriqués en salle blanche pose des défis importants, car ils ont des facteurs de forme très différents et sont fabriqués à l’aide de processus incompatibles qui nécessitent un post-assemblage. Par conséquent, les chercheurs ont étudié la fabrication de solénoïdes en utilisant bon nombre des mêmes processus que ceux utilisés pour fabriquer des puces semi-conductrices. Mais ces techniques limitent la taille et la forme des solénoïdes, ce qui nuit aux performances.
Avec la fabrication additive, on peut produire des appareils de pratiquement n’importe quelle taille et forme. Cependant, cela présente ses propres défis, car la fabrication d’un solénoïde implique l’enroulement de fines couches constituées de plusieurs matériaux qui peuvent ne pas être tous compatibles avec une seule machine.
Pour surmonter ces défis, les chercheurs ont dû modifier une imprimante 3D à extrusion commerciale.
L’impression par extrusion fabrique les objets une couche à la fois en projetant du matériau à travers une buse. En règle générale, une imprimante utilise un type de matière première, souvent des bobines de filament.
Les solénoïdes sont produits en superposant précisément trois matériaux différents : un matériau diélectrique qui sert d’isolant, un matériau conducteur qui forme la bobine électrique et un matériau magnétique doux qui constitue le noyau. Le matériau magnétique doux utilisé par les chercheurs, sous forme de pastilles, atteint des performances supérieures à celles des matériaux à base de filaments. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
« Certaines personnes dans le domaine les méprisent parce qu’elles sont simples et n’ont pas beaucoup de fonctionnalités, mais l’extrusion est l’une des rares méthodes qui permet de réaliser une impression monolithique multimatériaux », explique Velásquez-García.
Ceci est essentiel, car les solénoïdes sont produits en superposant précisément trois matériaux différents : un matériau diélectrique qui sert d’isolant, un matériau conducteur qui forme la bobine électrique et un matériau magnétique doux qui constitue le noyau.
L’équipe a sélectionné une imprimante dotée de quatre buses, une dédiée à chaque matériau, afin d’éviter toute contamination croisée. Ils avaient besoin de quatre extrudeuses car ils essayaient deux matériaux magnétiques doux, l’un à base de thermoplastique biodégradable et l’autre à base de nylon.
Impression avec des pastilles
Ils ont modernisé l’imprimante afin qu’une seule buse puisse extruder des pastilles plutôt que des filaments. Le nylon magnétique doux, fabriqué à partir d’un polymère souple parsemé de microparticules métalliques, est pratiquement impossible à produire sous forme de filament. Pourtant, ce matériau en nylon offre de bien meilleures performances que les alternatives à base de filaments.
L’utilisation du matériau conducteur posait également des problèmes, car il commençait à fondre et coinçait la buse. Les chercheurs ont découvert que l’ajout d’une ventilation pour refroidir le matériau empêchait cela. Ils ont également construit un nouveau support de bobine pour le filament conducteur qui était plus proche de la buse, réduisant ainsi la friction qui pourrait endommager les brins minces.
Même avec les modifications apportées par l’équipe, le matériel personnalisé coûte environ 4 000 dollars. Cette technique pourrait donc être utilisée par d’autres à un coût inférieur à celui d’autres approches, ajoute Velásquez-García.
Le matériel modifié imprime un solénoïde américain de taille quart sous forme de spirale en superposant un matériau autour du noyau magnétique doux, avec des couches conductrices plus épaisses séparées par de fines couches isolantes.
Contrôler précisément le processus est d’une importance primordiale car chaque matériau s’imprime à une température différente. Le fait de les déposer les uns sur les autres au mauvais moment pourrait provoquer des bavures sur les matériaux.
Parce que leur machine pouvait imprimer avec un matériau magnétique doux plus efficace, les solénoïdes ont atteint des performances supérieures à celles des autres appareils imprimés en 3D.
La méthode d’impression leur a permis de construire un dispositif tridimensionnel comprenant huit couches, avec des bobines de matériau conducteur et isolant empilées autour du noyau comme un escalier en colimaçon. Plusieurs couches augmentent le nombre de bobines dans le solénoïde, ce qui améliore l’amplification du champ magnétique.
Grâce à la précision accrue de l’imprimante modifiée, ils ont pu fabriquer des solénoïdes environ 33 % plus petits que les autres versions imprimées en 3D. Un plus grand nombre de bobines dans une zone plus petite augmente également l’amplification.
En fin de compte, leurs solénoïdes pourraient produire un champ magnétique environ trois fois plus grand que celui que d’autres appareils imprimés en 3D peuvent produire.
« Nous n’avons pas été les premiers à pouvoir fabriquer des inducteurs imprimés en 3D, mais nous avons été les premiers à les fabriquer en trois dimensions, ce qui amplifie considérablement les types de valeurs que vous pouvez générer. Et cela se traduit par la capacité de satisfaire un plus large éventail d’applications », dit-il.
Par exemple, bien que ces solénoïdes ne puissent pas générer autant de champ magnétique que ceux fabriqués avec des techniques de fabrication traditionnelles, ils pourraient être utilisés comme convertisseurs de puissance dans de petits capteurs ou actionneurs dans des robots logiciels.
À l’avenir, les chercheurs cherchent à continuer d’améliorer leurs performances.
D’une part, ils pourraient essayer d’utiliser des matériaux alternatifs qui pourraient avoir de meilleures propriétés. Ils explorent également des modifications supplémentaires qui pourraient contrôler plus précisément la température à laquelle chaque matériau est déposé, réduisant ainsi les défauts.
Ce travail est financé par Empiriko Corporation.
