增材制造（3D 打印）的驚人進(jìn)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(fù)刻現(xiàn)有零件，另一些則是采用鍛造、機(jī)加工、注塑、鑄造、擠壓、化學(xué)蝕刻等任何標(biāo)準(zhǔn)制造工藝都無法生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)。

麻省理工學(xué)院（MIT）的一組研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一個(gè)多材料 3D 打印平臺(tái)，可一步到位完整打印出電氣設(shè)備（圖 1）。

圖 1 本研究開發(fā)的多模式、多材料擠出系統(tǒng)集成工具：(a) E3D Hemera 絲材擠出機(jī)；(b) 帶定制 3D 打印部件、兼容 E3D ToolChanger 的 Mahor v4 顆粒擠出機(jī)；(c) 定制油墨擠出機(jī)；(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(jù)稱是首臺(tái)全 3D 打印電動(dòng)機(jī)：一臺(tái)直線執(zhí)行器（更正式的名稱為電磁 - 永磁直線執(zhí)行器），由五種不同功能材料構(gòu)成：絕緣材料、導(dǎo)電材料、軟磁材料、硬磁材料以及柔性材料。每種材料均經(jīng)過研究與優(yōu)化，以適配計(jì)劃采用的增材制造工藝。

3 小時(shí)完成電機(jī)制造

他們僅用約 3 小時(shí)就制造出這臺(tái)電機(jī)，打印后只需對(duì)硬磁材料進(jìn)行充磁即可實(shí)現(xiàn)完整功能。研究人員估算，單臺(tái)器件的總材料成本約為 50 美分。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可處理多種功能材料，包括導(dǎo)電材料與磁性材料，采用四套擠出工具以適配不同形態(tài)的打印原料。打印機(jī)在各擠出頭間自動(dòng)切換，通過噴嘴逐層擠出沉積材料，完成器件制造。

制造這臺(tái)電動(dòng)機(jī)時(shí)，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(dǎo)電材料制作載流 “導(dǎo)線”，并使用硬磁材料產(chǎn)生磁場(chǎng)。

可處理多種材料的 3D 打印機(jī)

現(xiàn)有的多材料擠出式 3D 打印系統(tǒng)，通常只能在同種形態(tài)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(shè)計(jì)設(shè)備。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們?cè)诂F(xiàn)有打印機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，配備四個(gè)可處理不同原料形態(tài)的擠出頭（圖 2）。最終系統(tǒng)可處理絲材、顆粒料和油墨形態(tài)的原料，實(shí)現(xiàn)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(tǒng)最終配置的工具陣列。從左至右依次為：油墨擠出機(jī)、顆粒擠出機(jī)、絲材擠出機(jī)和加熱裝置。

這并非一項(xiàng)簡單的工作。他們?yōu)槊總€(gè)擠出頭進(jìn)行了精心設(shè)計(jì)，以平衡材料的各項(xiàng)要求與限制。例如，導(dǎo)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(huì)導(dǎo)致絕緣材料性能劣化。與此同時(shí)，性能最優(yōu)的導(dǎo)電材料多為油墨形態(tài)，需通過壓力系統(tǒng)擠出。該工藝與采用加熱噴頭熔化絲材或顆粒料的標(biāo)準(zhǔn)擠出機(jī)要求截然不同。

經(jīng)過合理布局的傳感器與一套新型控制框架，使平臺(tái)機(jī)械臂能夠穩(wěn)定地拾取與放置各類工具，確保每個(gè)噴嘴實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)。這保證了每一層材料精準(zhǔn)對(duì)齊，因?yàn)榧词故俏⑿〉腻e(cuò)位也會(huì)導(dǎo)致成品電機(jī)性能失效。

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

圖 3 全 3D 打印直線電機(jī)。(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(dòng)機(jī)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(guān)系，這是因?yàn)榇帕εc線圈直流電流（IDC）呈線性關(guān)系（圖 4）。這一特性與兩端固支梁在中點(diǎn)受垂直集中力作用下產(chǎn)生大撓度時(shí)的準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)理論相符 —— 此時(shí)撓度與梁的高度大致相當(dāng)，作用于梁的力與梁中點(diǎn)撓度的三次方成正比。

圖 4 全 3D 打印直線電機(jī)中心磁體所施加的直流偏置電壓與感應(yīng)垂直位移關(guān)系圖。（虛線為數(shù)據(jù)的三次擬合曲線）

這項(xiàng)研究成果以一篇長達(dá) 26 頁、內(nèi)容詳實(shí)且可讀性強(qiáng)的論文《基于多模式、多材料擠出的全 3D 打印電動(dòng)機(jī)制造》發(fā)表在《虛擬與物理樣機(jī)》期刊上。作為一項(xiàng) MIT 研究項(xiàng)目，該論文不僅記錄了研究工作與設(shè)計(jì)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(jī)制造方案擴(kuò)展應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制造。