多材料3D打印机 “当场” 制造出完整电动机
这款 3D 打印机突破了人们的预期，它可一次性打印出整台电动机的所有导电与非导电部件。
我们对增材制造（3D 打印）领域的惊人进展早已熟知，这类技术可使用种类繁多的材料制造大小各异的物件。其中一部分是按需复刻现有零件，另一部分则是采用锻造、机加工、模塑、铸造、挤压成型、化学蚀刻等任何传统标准制造工艺都无法生产的特殊结构。
麻省理工学院（MIT）的一个研究团队现已研发出一套多材料 3D 打印平台，能够通过单一步骤完整打印出各类电机设备（见图 1）。
图1 本研究开发的多模态、多材料挤出系统所集成的工具：E3D Hemera 丝材挤出机（a）、配备定制 3D 打印部件以适配 E3D 换刀系统的 Mahor v4 粒料挤出机（b）、定制化墨水挤出机（c），以及用于墨水固化的加热器（d）。
研究人员通过简易装配将所需部件组合在一起，展示出据称是全球首款全 3D 打印电动机：一款线性执行器（正式名称为电磁线圈式线性执行器）。该器件由五种不同功能材料构成：介电材料、导电材料、软磁材料、硬磁材料以及柔性材料。研究人员针对每种材料均开展了研究与优化，使其适配计划采用的增材制造工艺。
3 小时完成电机制造
他们仅用约3 小时就制造出这台电机，打印完成后只需对硬磁材料进行充磁，即可实现全部功能。研究人员估算，单个器件的总材料成本约为50 美分。
研究团队设计的系统可加工多种功能材料，包括导电材料与磁性材料，系统配备四台挤出工具，能够处理不同形态的可打印材料。打印机在各挤出机之间自动切换，挤出机通过喷嘴将材料逐层挤出沉积，最终完成器件制造。
对于这款电动机，研究人员需要能够在性能差异极大的多种材料之间进行切换。例如，该装置需要使用导电材料来制作承载电流的 “导线”，并使用硬磁材料来产生磁场。
可处理多种材料的 3D 打印机
现有的多材料挤出式 3D 打印系统，仅能在形态相同的两种材料之间切换，比如均为丝材或粒料，因此研究人员不得不自行设计系统。
为实现这一目标，他们对一台现有打印机进行改造，配备了四台可分别处理不同形态原料的挤出机（见图 2）。最终这套系统能够加工丝材、粒料和墨水形态的原料，实现了高性能功能材料的组合使用。
图2 最终方案下，该多模态、多材料挤出系统的工具排布。从左至右依次为：墨水挤出机、粒料挤出机、丝材挤出机和加热器。
这并非一项简单的工作。研究人员对每台挤出机都进行了精心设计，以平衡各类材料的使用要求与限制条件。例如，导电材料必须能够在不过度加热或不使用大量紫外光的条件下固化，因为这些手段会破坏介电材料的性能。与此同时，性能最优的导电材料为墨水形态，需要通过压力系统进行挤出。该工艺的要求与使用加热喷嘴喷射熔融丝材或粒料的标准挤出机截然不同。
通过合理布置的传感器与全新设计的控制框架，平台的机械臂能够稳定地抓取和放置各类工具，确保每个喷嘴都实现精准、可预测的运动。这保证了每一层材料都能精准对齐，因为即使是微小的错位，也会导致成品电机的性能失效。
最终制备的螺线管（图 3）可产生最高 2.03 毫特斯拉的磁场，永磁体可产生最高 71 毫特斯拉的磁场，而该线性执行器在其谐振频率（41.6 赫兹）下实现了最大 318 微米的位移量。
图3 全 3D 打印直线电机。硬磁体（a）、双轴弯曲弹簧（b）、弹簧与磁体装配体（c）、3D 打印电机整体装配体（d）。
作用在 3D 打印双轴弹簧上的力与偏置直流电压（V<sub>DC</sub>）呈线性关系，这是因为磁力与线圈的直流电流（I<sub>DC</sub>）呈线性关系（见图 4）。
这一特性与两端固支梁的理论准静态力学表现一致：当梁中心受竖直集中力作用且挠度较大时 —— 挠度与梁的高度大致相当，作用在梁上的力与梁中点挠度的三次方成正比。
图4施加的直流偏置电压与放置在全 3D 打印直线电机中心的磁体所产生的竖直位移关系图。（虚线为数据的三次拟合曲线。）
这项研究成果已发表于《虚拟与物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）期刊，题为《通过多模态、多材料挤出工艺制造全 3D 打印电动机》，论文长达 26 页，内容详实、可读性强。作为麻省理工学院的研究项目，该论文不仅阐述了研究内容与设计思路，还对受力、磁通密度、材料性能等进行了深入分析。（令人意外的是，这个非常适合视频展示的项目，团队并未发布任何相关视频。）研究人员表示，他们正进一步探索将直线电机的制备方案拓展应用于旋转电机的一体化制造。
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