电机是自动化制造系统中不可或缺的组件，但其生产和更换通常依赖于集中式设施和复杂的供应链。麻省理工学院（MIT）的研究人员正在开发一种多材料3D打印平台，旨在通过单一制造步骤在现场制造出功能齐全的电机。这种方法有望降低更换成本、最大限度地减少运营停机时间，并将生产转向更快速、本地化和更灵活的制造模式。
这项研究发表在《虚拟与物理原型》（Virtual and Physical Prototyping）期刊上。论文由麻省理工学院电气工程与计算机科学（EECS）研究生豪尔赫·卡尼亚达（Jorge Cañada）领导，同系学生佐伊·比奇洛（Zoey Bigelow）亦有贡献。麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席研究科学家路易斯·费尔南多·贝拉斯克斯-加西亚（Luis Fernando Velásquez-García）是负责监督该研究的资者。
3D打印平台，可用于在一步中完全打印电机。照片来自麻省理工学院。
多材料打印平台
为实现这一目标，麻省理工学院团队设计了一个多材料挤出平台，能够在一个系统内处理多种功能材料。该打印机集成了四个不同的挤出工具，每个工具都设计用于处理不同类型或形态的可打印原料。通过在不同工具之间自动切换，系统可以逐层沉积导电材料、磁性材料和结构材料，从而构建出一个完整的器件。
设计这个平台需要克服巨大的工程挑战。传统的挤出打印机通常只能管理一两种格式相似的材料。因此，研究团队不得不对一台标准3D打印机进行改造，以集成四个专门的挤出机，每个挤出机都能处理一种独特的材料类型。每个挤出机都经过专门设计，以适应其指定原料的独特属性和限制。例如，导电材料需要在没有过多热量或紫外线照射的情况下固化，否则可能会损坏周围的介电组件。同时，性能最高的导电配方通常是油墨，需要基于压力的挤出方式，这种方法与传统的通过加热喷嘴熔化并沉积丝材或颗粒料的系统有着根本不同。
团队集成了精心布置的传感器和定制的控制系统，以引导打印机的机械臂，确保每个挤出机都能被一致地启用和收回。这种精度使得每一层材料都能精确对齐。
数小时内打印出功能电机
为了展示该系统的能力，团队使用五种不同的材料，在大约三小时内制造出了一台完全可运行的直线电机。除了打印后的一个磁化步骤外，不需要任何额外的制造工序。成品电机的性能与通过更复杂方法制造的同类设备相当甚至更优。据估计，每个单元的材料成本约为50美分。直线电机产生的是直线运动而非旋转运动，常用于机器人、光学定位系统和传送带技术。研究人员将此原型视为一个概念验证，而非最终目标。
贝拉斯克斯-加西亚表示：“这是一项了不起的成就，但这仅仅是个开始。我们有机会从根本上改变产品的制造方式，通过一步到位地在现场生产硬件，而不是依赖全球供应链。通过这次演示，我们已经证明了这是可行的。”
未来的工作包括将磁化步骤直接集成到打印工作流程中、制造旋转电机，以及通过增加更多工具来扩展平台，以支持更复杂的电子系统。如果成功扩大规模，这种方法可以减少对全球供应链的依赖，并实现机器人、交通运输和医疗设备定制化部件的快速本地化生产，从而可能重塑电子硬件的制造方式。
ExOne和Maxxwell Motors成功证明了粘合剂喷射3D打印高效铜电子绕组设计的新概念。照片来源：ExOne/Business Wire。
局限性与现存挑战
电气设备的单步3D打印前景广阔，但受限于当前技术。研究人员指出，挑战包括处理多种材料、打印悬垂结构和机械独立部件、确保对齐以及实现可靠的界面粘附。打印机的工具限制和设计复杂性增加了制造失败的风险，特别是对于导电和磁性部件。使用多功能或可溶性材料等策略可能有所帮助，但要实现完全无需组装的制造仍然很困难。
可扩展性和性能也受到限制。更大或更复杂的机器需要精心的热管理、高精度对齐以及具备多种功能的材料。要实现实用的、一体成型的3D打印电气设备，将需要高度可靠的多材料打印机，这些打印机能够同时处理导电、磁性、刚性、柔性和可溶性材料，同时保持精度、粘附性和设备的整体功能。
通过按需3D打印加速电机生产
传统的制造和备件供应链通常速度慢、集中化且成本高昂，特别是对于像电机这样的复杂部件，单个故障就可能扰乱整个运营。增材制造提供了一种解决方案，它使得部件可以按需生产，减少了对仓库和漫长物流链的依赖。在电机领域，3D打印已经在简化生产流程。例如，作为电机关键部件的3D打印铜绕组，使得采用传统方法难以实现或成本高昂的新型电机设计成为可能。
同样，Additive Drives公司最近获得了数千万欧元的中期投资，以扩大其3D打印电机技术的规模，该技术专注于生产不含稀土材料的高效电机，并快速部署于电动出行、机器人和工业自动化等领域。
中国3D打印网编译文章！
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