Os pesquisadores do MIT fizeram avanços significativos na construção de dispositivos eletrônicos, como máquinas de diálise, usando exclusivamente tecnologia de impressão 3D. Esta inovação tem o potencial de reduzir drasticamente os custos, minimizar os desperdícios de fabrico e proporcionar um acesso mais fácil a dispositivos médicos para aqueles que se encontram em áreas remotas ou com recursos limitados. Na vanguarda da superação dos desafios associados à eletrônica totalmente impressa em 3D, a equipe demonstrou com sucesso a criação de solenóides tridimensionais totalmente impressos em 3D (eletroímãs formados por uma bobina de fio enrolada em um núcleo magnético), um componente crítico em um ampla gama de dispositivos eletrônicos, desde equipamentos médicos até eletrodomésticos.
Os pesquisadores modificaram uma impressora 3D multimaterial para que pudesse imprimir solenóides compactos com núcleo magnético em uma única etapa – eliminando defeitos que poderiam ser introduzidos durante os processos pós-montagem. Esta impressora personalizada, que poderia utilizar materiais de maior desempenho do que as impressoras comerciais típicas, permitiu aos pesquisadores produzir solenóides que poderiam suportar o dobro da corrente elétrica e gerar um campo magnético 3x maior do que outros dispositivos impressos em 3D.
Além de tornar os eletrônicos mais baratos na Terra, esse hardware de impressão poderia ser particularmente útil na exploração espacial. de acordo com Luis Fernando Velásquez-García, principal pesquisador do Microsystems Technology Laboratories (MTL) do MIT e autor sênior de um novo artigo sobre solenóides impressos em 3D que aparece na revista Virtual and Physical Prototyping. Por exemplo, em vez de enviar peças eletrônicas de reposição para uma base em Marte, o que poderia levar anos e custar milhões de dólares, seria possível enviar um sinal contendo arquivos para a impressora 3D.
“Não há razão para fabricar hardware capaz apenas em alguns centros de produção quando a necessidade é global. Em vez de tentar enviar hardware para todo o mundo, podemos capacitar pessoas em lugares distantes para construí-lo elas mesmas? A manufatura aditiva pode desempenhar um papel tremendo em termos de democratização dessas tecnologias”, disse Velásquez-García, que é acompanhado no artigo pelo autor principal Jorge Cañada, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação; e Hyeonseok Kim, estudante de graduação em engenharia mecânica.
Vantagens do AM
Um solenóide gera um campo magnético quando uma corrente elétrica passa por ele. Quando alguém toca a campainha, por exemplo, a corrente elétrica flui através de um solenóide, que gera um campo magnético que move uma barra de ferro de modo que ela emita um sinal sonoro. A integração de solenóides em circuitos elétricos fabricados em salas limpas apresenta desafios significativos, pois eles têm formatos muito diferentes e são fabricados usando processos incompatíveis que exigem pós-montagem. Conseqüentemente, os pesquisadores investigaram a fabricação de solenóides utilizando muitos dos mesmos processos que fabricam chips semicondutores, mas essas técnicas limitam o tamanho e o formato dos solenóides, o que prejudica o desempenho.
Com AM, é possível produzir dispositivos de praticamente qualquer tamanho e formato. No entanto, isto apresenta os seus próprios desafios, uma vez que fabricar um solenóide envolve enrolar camadas finas feitas de vários materiais que podem não ser todos compatíveis com uma máquina. Para superar esses desafios, os pesquisadores precisaram modificar uma impressora 3D de extrusão comercial.
“Algumas pessoas na área os desprezam porque são simples e não têm muitos recursos, mas a extrusão é um dos poucos métodos que permite fazer impressão monolítica e multimaterial”, disse Velásquez- García.
Os solenóides são produzidos por camadas precisas de três materiais diferentes – um material dielétrico que serve como isolante, um material condutor que forma a bobina elétrica e um material magnético macio que constitui o núcleo.
A equipe selecionou uma impressora com quatro bicos – um dedicado a cada material para evitar contaminação cruzada. Eles usaram dois materiais magnéticos macios – um à base de termoplástico biodegradável e outro à base de náilon.
Impressão de pellets
A equipe adaptou a impressora para que um bico pudesse extrudar pellets, em vez de filamento. O náilon magnético macio, feito de um polímero flexível cravejado de micropartículas metálicas, é virtualmente impossível de produzir como filamento. No entanto, este material de náilon oferece desempenho muito melhor do que as alternativas baseadas em filamentos.
Usar o material condutivo também representava desafios, pois ele começaria a derreter e emperraria o bico. Os pesquisadores descobriram que adicionar ventilação para resfriar o material evitou isso. Eles também construíram um novo porta-carretel para o filamento condutor que ficava mais próximo do bocal – reduzindo o atrito que poderia danificar os fios finos.
Mesmo com as modificações da equipe, o hardware customizado custou cerca de US$ 4 mil, então essa técnica poderia ser empregada por outros a um custo menor do que outras abordagens, segundo Velásquez-García.
O hardware modificado imprime um solenóide do tamanho de um quarto dos EUA como uma espiral, colocando material em camadas ao redor do núcleo magnético macio, com camadas condutoras mais espessas separadas por finas camadas isolantes. O controle preciso do processo é fundamental porque cada material imprime em uma temperatura diferente. Depositar um em cima do outro na hora errada pode fazer com que os materiais manchem. Os solenóides alcançaram desempenho superior a outros dispositivos impressos em 3D porque a máquina podia imprimir com um material magnético macio mais eficaz.
O método de impressão permitiu aos pesquisadores do MIT construir um dispositivo tridimensional composto por oito camadas, com bobinas de material condutor e isolante empilhadas ao redor do núcleo como uma escada em espiral. Múltiplas camadas aumentam o número de bobinas no solenóide, o que melhora a amplificação do campo magnético.
Devido à precisão adicional da impressora modificada, eles poderiam tornar os solenóides cerca de 33% menores do que outras versões impressas em 3D. Mais bobinas em uma área menor também aumentam a amplificação.
“Não fomos os primeiros a fabricar indutores impressos em 3D, mas fomos os primeiros a torná-los tridimensionais, e isso amplia muito os tipos de valores que você pode gerar. E isso se traduz na capacidade de satisfazer uma gama mais ampla de aplicações”, disse Velásquez-García.
Por exemplo, embora estes solenóides não possam gerar tanto campo magnético como aqueles fabricados com técnicas tradicionais de fabricação, eles poderiam ser usados como conversores de energia em pequenos sensores ou atuadores em robôs leves.
A fim de melhorar o desempenho dos solenóides no futuro, os pesquisadores do MIT estão explorando materiais alternativos que possam ter propriedades mais adequadas. Eles também estão explorando modificações adicionais que poderiam controlar com mais precisão a temperatura na qual cada material é depositado – reduzindo defeitos. Para saber mais sobre os trabalhos acesse o site.
