增材制造（3D 打印）的驚人進步已耳熟能詳，它可以使用一長串材料制造大大小小的物件。其中一些物件可按需復刻現有零件，另一些則是采用鍛造、機加工、注塑、鑄造、擠壓、化學蝕刻等任何標準制造工藝都無法生產的結構。

麻省理工學院（MIT）的一組研究人員現已開發出一個多材料 3D 打印平臺，可一步到位完整打印出電氣設備（圖 1）。

圖 1 本研究開發的多模式、多材料擠出系統集成工具：(a) E3D Hemera 絲材擠出機；(b) 帶定制 3D 打印部件、兼容 E3D ToolChanger 的 Mahor v4 顆粒擠出機；(c) 定制油墨擠出機；(d) 油墨固化加熱裝置。

研究人員通過簡易裝配將所需部件組合在一起，展示出據稱是首臺全 3D 打印電動機：一臺直線執行器（更正式的名稱為電磁 - 永磁直線執行器），由五種不同功能材料構成：絕緣材料、導電材料、軟磁材料、硬磁材料以及柔性材料。每種材料均經過研究與優化，以適配計劃采用的增材制造工藝。

3 小時完成電機制造

他們僅用約 3 小時就制造出這臺電機，打印后只需對硬磁材料進行充磁即可實現完整功能。研究人員估算，單臺器件的總材料成本約為 50 美分。

該團隊設計的系統可處理多種功能材料，包括導電材料與磁性材料，采用四套擠出工具以適配不同形態的打印原料。打印機在各擠出頭間自動切換，通過噴嘴逐層擠出沉積材料，完成器件制造。

制造這臺電動機時，需要在屬性差異顯著的多種材料之間靈活切換。例如，器件需要使用導電材料制作載流 “導線”，并使用硬磁材料產生磁場。

可處理多種材料的 3D 打印機

現有的多材料擠出式 3D 打印系統，通常只能在同種形態的兩種材料間切換，例如均為絲材或顆粒料。因此研究人員不得不自行設計設備。為實現這一目標，他們在現有打印機基礎上進行改造，配備四個可處理不同原料形態的擠出頭（圖 2）。最終系統可處理絲材、顆粒料和油墨形態的原料，實現多種高性能功能材料的組合使用。

圖 2 所提出的多模式、多材料擠出系統最終配置的工具陣列。從左至右依次為：油墨擠出機、顆粒擠出機、絲材擠出機和加熱裝置。

這并非一項簡單的工作。他們為每個擠出頭進行了精心設計，以平衡材料的各項要求與限制。例如，導電材料必須能夠在不過度加熱或紫外線照射的條件下固化，否則會導致絕緣材料性能劣化。與此同時，性能最優的導電材料多為油墨形態，需通過壓力系統擠出。該工藝與采用加熱噴頭熔化絲材或顆粒料的標準擠出機要求截然不同。

經過合理布局的傳感器與一套新型控制框架，使平臺機械臂能夠穩定地拾取與放置各類工具，確保每個噴嘴實現精準、可重復的運動。這保證了每一層材料精準對齊，因為即使是微小的錯位也會導致成品電機性能失效。

最終制成的電磁線圈（圖 3）可產生最高 2.03 mT 的磁場，永磁體可產生最高 71 mT 的磁場，直線執行器在其諧振頻率（41.6 Hz）下實現最大 318 μm 的位移。

圖 3 全 3D 打印直線電機。(a) 硬磁體；(b) 雙軸彎曲彈簧；(c) 彈簧與磁體裝配體；(d) 3D 打印電動機總裝圖。

作用于 3D 打印雙軸彈簧的力與偏置直流電壓（VDC）呈線性關系，這是因為磁力與線圈直流電流（IDC）呈線性關系（圖 4）。這一特性與兩端固支梁在中點受垂直集中力作用下產生大撓度時的準靜態力學理論相符 —— 此時撓度與梁的高度大致相當，作用于梁的力與梁中點撓度的三次方成正比。

圖 4 全 3D 打印直線電機中心磁體所施加的直流偏置電壓與感應垂直位移關系圖。（虛線為數據的三次擬合曲線）

這項研究成果以一篇長達 26 頁、內容詳實且可讀性強的論文《基于多模式、多材料擠出的全 3D 打印電動機制造》發表在《虛擬與物理樣機》期刊上。作為一項 MIT 研究項目，該論文不僅記錄了研究工作與設計思路，還包含了受力、磁通密度、材料等多方面的深度分析。研究人員表示，他們正探索將直線電機制造方案擴展應用于旋轉電機的制造。