三個(gè)小時(shí)3D打印出一臺(tái)電機(jī)，麻省理工學(xué)院新突破

2026年2月23日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)了一種新型多材料擠出3D打印平臺(tái)，能夠在單一制造步驟中直接打印出完整、可運(yùn)行的電機(jī)，為電機(jī)及復(fù)雜電子系統(tǒng)的制造方式帶來(lái)了新的可能。

當(dāng)然，這個(gè)3D打印的電機(jī)并沒(méi)有我們平時(shí)見(jiàn)到的電機(jī)那么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要是一個(gè)原理驗(yàn)證。

△相關(guān)研究已發(fā)表在《虛擬與物理原型》期刊上，研究題目為“采用多模式、多材料擠出工藝制造的全3D打印電機(jī)”

突破單一材料局限

麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室首席研究科學(xué)家，也是此項(xiàng)研究的主要作者Luis Fernando Velásquez-García表示：“這是一項(xiàng)重大的工程挑戰(zhàn)，我們必須想辦法將同一種打印方法的多種不同表現(xiàn)形式無(wú)縫地結(jié)合到一個(gè)平臺(tái)上。”

△麻省理工研究人員提出的多模式、多材料擠出系統(tǒng)最終配置中的工具排列。從左到右：油墨擠出機(jī)、顆粒擠出機(jī)、絲材擠出機(jī)和加熱器

該平臺(tái)采用四個(gè)獨(dú)立擠出機(jī)，可處理多種不同形態(tài)的可打印材料，包括聚合物、導(dǎo)電油墨以及硬磁性材料。在逐層構(gòu)建器件的過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)需求自動(dòng)切換噴嘴，實(shí)現(xiàn)多材料的精確集成。

與目前大多數(shù)僅支持兩種、且材料形態(tài)相同（如絲材或顆粒）的多材料擠出系統(tǒng)不同，研究團(tuán)隊(duì)在一臺(tái)商用打印機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了深度改造，開發(fā)了定制化擠出模塊和全新的控制框架。同時(shí)，研究人員在關(guān)鍵位置布置了傳感器網(wǎng)絡(luò)，以確保各噴嘴在高精度運(yùn)動(dòng)過(guò)程中保持嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，避免層間錯(cuò)位。

其中，用于形成電路的導(dǎo)電材料以油墨形式存在，采用基于壓力的擠出方式進(jìn)行打印。這類材料在流變特性、沉積穩(wěn)定性以及與加熱噴嘴的協(xié)同工作方面，對(duì)系統(tǒng)集成提出了顯著挑戰(zhàn)。

△圖為E3D ToolChanger 對(duì)接裝置，以兼容油墨擠出機(jī)與顆粒擠出機(jī)。系統(tǒng)中集成了一臺(tái)Mahor v4 70W顆粒擠出機(jī)

三小時(shí)“打印”一臺(tái)電機(jī)

在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證中，研究團(tuán)隊(duì)使用五種不同材料，在約三個(gè)小時(shí)內(nèi)成功打印出一臺(tái)功能齊全的電動(dòng)直線電機(jī)。單個(gè)器件的材料成本約為0.5美元，后處理步驟僅包括對(duì)硬磁性材料進(jìn)行磁化。測(cè)試結(jié)果顯示，該電機(jī)在不依賴液壓放大器的情況下，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力顯著高于傳統(tǒng)同類直線電機(jī)。

△全 3D 打印直線電機(jī)。永磁體（a）、雙軸彎曲彈簧（b）、彈簧與磁體裝配體（c）、3D 打印電機(jī)裝配體（d）。

Velásquez-García表示：“這項(xiàng)成果令人振奮，但它只是一個(gè)起點(diǎn)。我們有機(jī)會(huì)從根本上改變產(chǎn)品的制造方式，通過(guò)在使用現(xiàn)場(chǎng)一步完成硬件制造，而不是依賴復(fù)雜的全球供應(yīng)鏈。這次工作已經(jīng)證明，這種模式在技術(shù)上是可行的。”

△圖為麻省理工團(tuán)隊(duì)研發(fā)的多模式、多材料3D打印系統(tǒng)所集成的四種核心工具：E3D Hemera 絲材擠出機(jī) (a)；加裝定制3D打印轉(zhuǎn)接件的 Mahor v4 顆粒擠出機(jī)，用于適配 E3D ToolChanger (b)；定制化墨水?dāng)D出機(jī) (c)；以及用于墨水固化的加熱模塊 (d)

下一步，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將磁化過(guò)程直接集成到打印流程中，進(jìn)一步展示完全 3D 打印的旋轉(zhuǎn)電機(jī)。同時(shí)，他們還將擴(kuò)展平臺(tái)的工具集，以支持更高復(fù)雜度電子系統(tǒng)的單片化制造。

△本文提出了一種可整體一體化 3D 打印的旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)方案，可使用本文所述的硬件與材料實(shí)現(xiàn)打印

Velásquez-García總結(jié)道：“我們不僅對(duì)這臺(tái)電機(jī)本身以及性能感到興奮，更重要的是，它展示了未來(lái)電子制造可能發(fā)生的深刻變革，這只是眾多潛在應(yīng)用中的一個(gè)例子。”