多材料3D打印機 “當場” 制造出完整電動機
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這款 3D 打印機突破了人們的預期，它可一次性打印出整臺電動機的所有導電與非導電部件。
我們對增材制造（3D 打印）領域的驚人進展早已熟知，這類技術可使用種類繁多的材料制造大小各異的物件。其中一部分是按需復刻現有零件，另一部分則是采用鍛造、機加工、模塑、鑄造、擠壓成型、化學蝕刻等任何傳統標準制造工藝都無法生產的特殊結構。
麻省理工學院（MIT）的一個研究團隊現已研發出一套多材料 3D 打印平臺，能夠通過單一步驟完整打印出各類電機設備（見圖 1）。
圖1 本研究開發的多模態、多材料擠出系統所集成的工具：E3D Hemera 絲材擠出機（a）、配備定制 3D 打印部件以適配 E3D 換刀系統的 Mahor v4 粒料擠出機（b）、定制化墨水擠出機（c），以及用于墨水固化的加熱器（d）。
研究人員通過簡易裝配將所需部件組合在一起，展示出據稱是全球首款全 3D 打印電動機：一款線性執行器（正式名稱為電磁線圈式線性執行器）。該器件由五種不同功能材料構成：介電材料、導電材料、軟磁材料、硬磁材料以及柔性材料。研究人員針對每種材料均開展了研究與優化，使其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，打印完成后只需對硬磁材料進行充磁，即可實現全部功能。研究人員估算，單個器件的總材料成本約為50 美分。
研究團隊設計的系統可加工多種功能材料，包括導電材料與磁性材料，系統配備四臺擠出工具，能夠處理不同形態的可打印材料。打印機在各擠出機之間自動切換，擠出機通過噴嘴將材料逐層擠出沉積，最終完成器件制造。
對于這款電動機，研究人員需要能夠在性能差異極大的多種材料之間進行切換。例如，該裝置需要使用導電材料來制作承載電流的 “導線”，并使用硬磁材料來產生磁場。
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，僅能在形態相同的兩種材料之間切換，比如均為絲材或粒料，因此研究人員不得不自行設計系統。
為實現這一目標，他們對一臺現有打印機進行改造，配備了四臺可分別處理不同形態原料的擠出機（見圖 2）。最終這套系統能夠加工絲材、粒料和墨水形態的原料，實現了高性能功能材料的組合使用。
圖2 最終方案下，該多模態、多材料擠出系統的工具排布。從左至右依次為：墨水擠出機、粒料擠出機、絲材擠出機和加熱器。
這并非一項簡單的工作。研究人員對每臺擠出機都進行了精心設計，以平衡各類材料的使用要求與限制條件。例如，導電材料必須能夠在不過度加熱或不使用大量紫外光的條件下固化，因為這些手段會破壞介電材料的性能。與此同時，性能最優的導電材料為墨水形態，需要通過壓力系統進行擠出。該工藝的要求與使用加熱噴嘴噴射熔融絲材或粒料的標準擠出機截然不同。
通過合理布置的傳感器與全新設計的控制框架，平臺的機械臂能夠穩定地抓取和放置各類工具，確保每個噴嘴都實現精準、可預測的運動。這保證了每一層材料都能精準對齊，因為即使是微小的錯位，也會導致成品電機的性能失效。
最終制備的螺線管（圖 3）可產生最高 2.03 毫特斯拉的磁場，永磁體可產生最高 71 毫特斯拉的磁場，而該線性執行器在其諧振頻率（41.6 赫茲）下實現了最大 318 微米的位移量。
圖3 全 3D 打印直線電機。硬磁體（a）、雙軸彎曲彈簧（b）、彈簧與磁體裝配體（c）、3D 打印電機整體裝配體（d）。
作用在 3D 打印雙軸彈簧上的力與偏置直流電壓（V<sub>DC</sub>）呈線性關系，這是因為磁力與線圈的直流電流（I<sub>DC</sub>）呈線性關系（見圖 4）。
這一特性與兩端固支梁的理論準靜態力學表現一致：當梁中心受豎直集中力作用且撓度較大時 —— 撓度與梁的高度大致相當，作用在梁上的力與梁中點撓度的三次方成正比。
圖4施加的直流偏置電壓與放置在全 3D 打印直線電機中心的磁體所產生的豎直位移關系圖。（虛線為數據的三次擬合曲線。）
這項研究成果已發表于《虛擬與物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）期刊，題為《通過多模態、多材料擠出工藝制造全 3D 打印電動機》，論文長達 26 頁，內容詳實、可讀性強。作為麻省理工學院的研究項目，該論文不僅闡述了研究內容與設計思路，還對受力、磁通密度、材料性能等進行了深入分析。（令人意外的是，這個非常適合視頻展示的項目，團隊并未發布任何相關視頻。）研究人員表示，他們正進一步探索將直線電機的制備方案拓展應用于旋轉電機的一體化制造。
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