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。
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△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。”
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△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)。
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△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)。
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△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。”
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△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。
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△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。”
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