MIT 3D-print elektrische machine in één stap

In een poging om de productie van complexe apparaten te democratiseren, hebben onderzoekers van MIT een 3D-printplatform voor meerdere materialen ontwikkeld waarmee elektrische machines in één stap volledig geprint kunnen worden.

Hun systeem kan meerdere materialen verwerken, waaronder elektrisch geleidende en magnetische materialen, met behulp van vier extrusiegereedschappen die geschikt zijn voor verschillende soorten printbaar materiaal. De printer schakelt tussen de extruders, die materiaal afzetten door het door een spuitmond te persen terwijl een apparaat laagje voor laagje wordt opgebouwd.

De onderzoekers gebruikten dit systeem om in slechts enkele uren een volledig 3D-geprinte elektrische lineaire motor te produceren met slechts vijf materialen. Ze hoefden slechts één nabewerkingsstap uit te voeren om de motor volledig functioneel te maken. Het geassembleerde apparaat presteerde even goed, of zelfs beter, dan vergelijkbare motoren die complexere fabricagemethoden of extra nabewerkingsstappen vereisen.

“Dit is een geweldige prestatie, maar het is nog maar het begin. We hebben de kans om de manier waarop dingen worden gemaakt fundamenteel te veranderen door hardware ter plaatse in één stap te produceren, in plaats van afhankelijk te zijn van een wereldwijde toeleveringsketen”, aldus Luis Fernando Velásquez-García, hoofdauteur van een artikel over het 3D-printplatform, dat is gepubliceerd in Virtual and Physical Prototyping.

Verschillende printmethoden

De onderzoekers richtten zich op extrusie-3D-printen. Om een ​​elektrische machine te fabriceren, moet je kunnen schakelen tussen verschillende materialen met uiteenlopende functionaliteiten. Zo zou het apparaat een elektrisch geleidend materiaal nodig hebben om elektrische stroom te geleiden en hardmagnetische materialen om magnetische velden te genereren voor efficiënte energieomzetting.

De meeste extrusie-3D-printsystemen voor meerdere materialen kunnen slechts schakelen tussen twee materialen die in dezelfde vorm verkrijgbaar zijn, zoals filament of korrels. Daarom hebben de onderzoekers hun eigen systeem ontworpen. Ze hebben een bestaande printer aangepast met vier extruders die elk een andere vorm van grondstof aankunnen.

Elke extruder is geoptimaliseerd voor de eisen en beperkingen van zijn type materiaal. Het elektrisch geleidende materiaal moet bijvoorbeeld kunnen uitharden zonder al te veel hitte of UV-licht, omdat dit het diëlektrische materiaal kan aantasten. De best presterende elektrisch geleidende materialen hebben de vorm van inkten die met een druksysteem worden geëxtrudeerd. Dit proces stelt aanzienlijk andere eisen dan standaard extruders die verwarmde nozzles gebruiken om gesmolten filament of korrels te spuiten.

“Er waren aanzienlijke technische uitdagingen. We moesten uitzoeken hoe we veel verschillende uitingen van dezelfde printmethode – extrusie – naadloos konden combineren in één platform”, zegt Velásquez-García.

De onderzoekers gebruikten strategisch geplaatste sensoren en een nieuw besturingskader, zodat elk gereedschap consistent door de robotarmen van het platform wordt opgepakt en neergezet, en zodat elke nozzle nauwkeurig en voorspelbaar beweegt. Dit zorgt ervoor dat elke materiaallaag correct is uitgelijnd. Zelfs een kleine afwijking kan de prestaties van de uiteindelijke machine beïnvloeden.

Een motor maken

Na het perfectioneren van het printplatform fabriceerden de onderzoekers in ongeveer drie uur een lineaire motor. Na het printen hoefden ze alleen nog maar de harde magnetische materialen te magnetiseren om de volledige functionaliteit te garanderen. De onderzoekers schatten de totale materiaalkosten op ongeveer 50 cent per apparaat. Hun 3D-geprinte motor kon een veel grotere aandrijving genereren dan een gangbare lineaire motor die afhankelijk is van complexe hydraulische versterkers.

In de toekomst willen de onderzoekers de magnetisatiestap integreren in het extrusieproces van meerdere materialen, de fabricage van volledig 3D-geprinte roterende elektromotoren demonstreren en meer tools aan het platform toevoegen om monolithische fabricage van complexere elektronische apparaten mogelijk te maken.