Imagine ser capaz de construir uma máquina de diálise inteira usando nada mais do que uma impressora 3D.

Isto não só poderia reduzir custos e eliminar desperdícios de produção, mas como esta máquina poderia ser produzida fora de uma fábrica, pessoas com recursos limitados ou que vivem em áreas remotas poderão ter acesso a este dispositivo médico com mais facilidade.

Embora vários obstáculos devam ser superados para desenvolver dispositivos eletrônicos inteiramente impressos em 3D, uma equipe do MIT deu um passo importante nessa direção ao demonstrar solenóides tridimensionais totalmente impressos em 3D.

Solenóides, eletroímãs formados por uma bobina de fio enrolada em um núcleo magnético, são um elemento fundamental de muitos produtos eletrônicos, desde máquinas de diálise e respiradores até máquinas de lavar e lava-louças.

Os pesquisadores modificaram uma impressora 3D multimaterial para que pudesse imprimir solenóides compactos com núcleo magnético em uma única etapa. Isto elimina defeitos que podem 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 solenoides que poderiam suportar o dobro da corrente elétrica e gerar um campo magnético três vezes 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. Por exemplo, em vez de enviar peças electrónicas de substituição para uma base em Marte, o que poderia levar anos e custar milhões de dólares, seria possível enviar um sinal contendo ficheiros para a impressora 3D, diz Luis Fernando Velásquez-García, principal cientista investigador do MIT. Laboratórios de Tecnologia de Microssistemas (MTL).

“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 fabricação aditiva pode desempenhar um papel tremendo em termos de democratização dessas tecnologias”, acrescenta Velásquez-García, autor sênior de um novo artigo sobre solenóides impressos em 3D publicado na revista Virtual and Physical Prototyping .

Ele 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.

Um solenoide 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 solenoide, 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 uma sala limpa apresenta desafios significativos, pois eles têm formatos muito diferentes e são fabricados usando processos incompatíveis que exigem pós-montagem. Consequentemente, 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 a manufatura aditiva, é possível produzir dispositivos de praticamente qualquer tamanho e formato. No entanto, isto apresenta os seus próprios desafios, uma vez que fabricar um solenoides 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.

A impressão por extrusão fabrica objetos, uma camada de cada vez, esguichando material através de um bico. Normalmente, uma impressora usa um tipo de matéria-prima, geralmente carretéis de filamento.

“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”, diz Velásquez-García.

Isto é fundamental, uma vez que os solenoides 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 precisaram de quatro extrusoras porque experimentaram dois materiais magnéticos macios, um à base de termoplástico biodegradável e outro à base de náilon.

Eles modernizaram 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 nylon oferece um 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 bico, 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, acrescenta Velásquez-García.

O hardware modificado imprime um solenoides 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 de suma importância porque cada material imprime em uma temperatura diferente. Depositar um em cima do outro na hora errada pode fazer com que os materiais manchem.

Como a máquina deles podia imprimir com um material magnético macio mais eficaz, os solenoides alcançaram desempenho superior do que outros dispositivos impressos em 3D.

O método de impressão permitiu-lhes construir um dispositivo tridimensional composto por oito camadas, com bobinas de material condutor e isolante empilhadas em torno do núcleo como uma escada em espiral. Múltiplas camadas aumentam o número de bobinas no solenoide, o que melhora a amplificação do campo magnético.

Devido à precisão adicional da impressora modificada, eles puderam fabricar solenoides cerca de 33% menores do que outras versões impressas em 3D. Mais bobinas em uma área menor também aumentam a amplificação.

No final, seus solenoides poderiam produzir um campo magnético cerca de três vezes maior do que outros dispositivos impressos em 3D podem alcançar.

“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”, afirma.

Por exemplo, embora estes solenoides 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.

No futuro, os pesquisadores buscam continuar melhorando seu desempenho.

Por um lado, eles poderiam tentar usar materiais alternativos que pudessem ter melhores propriedades. Eles também estão explorando modificações adicionais que possam controlar com mais precisão a temperatura em que cada material é depositado, reduzindo defeitos.