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多材料3D打印機 “當(dāng)場” 制造出完整電動機

作者：時間：2026-04-07 來源：

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這款 3D 打印機突破了人們的預(yù)期，它可一次性打印出整臺電動機的所有導(dǎo)電與非導(dǎo)電部件。

我們對增材制造（3D 打印）領(lǐng)域的驚人進展早已熟知，這類技術(shù)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(fù)刻現(xiàn)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(xué)蝕刻等任何傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制造工藝都無法生產(chǎn)的特殊結(jié)構(gòu)。

麻省理工學(xué)院（MIT）的一個研究團隊現(xiàn)已研發(fā)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(shè)備（見圖 1）。

圖1 本研究開發(fā)的多模態(tài)、多材料擠出系統(tǒng)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(tǒng)的 Mahor v4 粒料擠出機（b）、定制化墨水?dāng)D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(jù)稱是全球首款全 3D 打印電動機：一款線性執(zhí)行器（正式名稱為電磁線圈式線性執(zhí)行器）。該器件由五種不同功能材料構(gòu)成：介電材料、導(dǎo)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(yōu)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(xiàn)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(shè)計的系統(tǒng)可加工多種功能材料，包括導(dǎo)電材料與磁性材料，系統(tǒng)配備四臺擠出工具，能夠處理不同形態(tài)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(dǎo)電材料來制作承載電流的 “導(dǎo)線”，并使用硬磁材料來產(chǎn)生磁場。

可處理多種材料的 3D 打印機

現(xiàn)有的多材料擠出式 3D 打印系統(tǒng)，僅能在形態(tài)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(shè)計系統(tǒng)。

為實現(xiàn)這一目標(biāo)，他們對一臺現(xiàn)有打印機進行改造，配備了四臺可分別處理不同形態(tài)原料的擠出機（見圖 2）。最終這套系統(tǒng)能夠加工絲材、粒料和墨水形態(tài)的原料，實現(xiàn)了高性能功能材料的組合使用。

圖2 最終方案下，該多模態(tài)、多材料擠出系統(tǒng)的工具排布。從左至右依次為：墨水?dāng)D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(shè)計，以平衡各類材料的使用要求與限制條件。例如，導(dǎo)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(yōu)的導(dǎo)電材料為墨水形態(tài)，需要通過壓力系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)擠出機截然不同。

通過合理布置的傳感器與全新設(shè)計的控制框架，平臺的機械臂能夠穩(wěn)定地抓取和放置各類工具，確保每個噴嘴都實現(xiàn)精準(zhǔn)、可預(yù)測的運動。這保證了每一層材料都能精準(zhǔn)對齊，因為即使是微小的錯位，也會導(dǎo)致成品電機的性能失效。

最終制備的螺線管（圖 3）可產(chǎn)生最高 2.03 毫特斯拉的磁場，永磁體可產(chǎn)生最高 71 毫特斯拉的磁場，而該線性執(zhí)行器在其諧振頻率（41.6 赫茲）下實現(xiàn)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(guān)系，這是因為磁力與線圈的直流電流（I<sub>DC</sub>）呈線性關(guān)系（見圖 4）。

這一特性與兩端固支梁的理論準(zhǔn)靜態(tài)力學(xué)表現(xiàn)一致：當(dāng)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(dāng)，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(chǎn)生的豎直位移關(guān)系圖。（虛線為數(shù)據(jù)的三次擬合曲線。）

這項研究成果已發(fā)表于《虛擬與物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）期刊，題為《通過多模態(tài)、多材料擠出工藝制造全 3D 打印電動機》，論文長達 26 頁，內(nèi)容詳實、可讀性強。作為麻省理工學(xué)院的研究項目，該論文不僅闡述了研究內(nèi)容與設(shè)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(fā)布任何相關(guān)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(yīng)用于旋轉(zhuǎn)電機的一體化制造。