增材制造的惊人进步已耳熟能详，它可以使用一长串材料制造大大小小的物件。其中一些物件可按需复刻现有零件，另一些则是采用锻造、机加工、注塑、铸造、挤压、化学蚀刻等任何标准制造工艺都无法生产的结构。
麻省理工学院（MIT）的一组研究人员现已开发出一个多材料 3D 打印平台，可一步到位完整打印出电气设备（图 1）。
图 1 本研究开发的多模式、多材料挤出系统集成工具：(a) E3D Hemera 丝材挤出机；(b) 带定制 3D 打印部件、兼容 E3D ToolChanger 的 Mahor v4 颗粒挤出机；(c) 定制油墨挤出机；(d) 油墨固化加热装置。
研究人员通过简易装配将所需部件组合在一起，展示出据称是首台全 3D 打印电动机：一台直线执行器（更正式的名称为电磁 - 永磁直线执行器），由五种不同功能材料构成：绝缘材料、导电材料、软磁材料、硬磁材料以及柔性材料。每种材料均经过研究与优化，以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，打印后只需对硬磁材料进行充磁即可实现完整功能。研究人员估算，单台器件的总材料成本约为 50 美分。
该团队设计的系统可处理多种功能材料，包括导电材料与磁性材料，采用四套挤出工具以适配不同形态的打印原料。打印机在各挤出头间自动切换，通过喷嘴逐层挤出沉积材料，完成器件制造。
制造这台电动机时，需要在属性差异显著的多种材料之间灵活切换。例如，器件需要使用导电材料制作载流 “导线”，并使用硬磁材料产生磁场。
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，通常只能在同种形态的两种材料间切换，例如均为丝材或颗粒料。因此研究人员不得不自行设计设备。为实现这一目标，他们在现有打印机基础上进行改造，配备四个可处理不同原料形态的挤出头（图 2）。最终系统可处理丝材、颗粒料和油墨形态的原料，实现多种高性能功能材料的组合使用。
图 2 所提出的多模式、多材料挤出系统最终配置的工具阵列。从左至右依次为：油墨挤出机、颗粒挤出机、丝材挤出机和加热装置。
这并非一项简单的工作。他们为每个挤出头进行了精心设计，以平衡材料的各项要求与限制。例如，导电材料必须能够在不过度加热或紫外线照射的条件下固化，否则会导致绝缘材料性能劣化。与此同时，性能最优的导电材料多为油墨形态，需通过压力系统挤出。该工艺与采用加热喷头熔化丝材或颗粒料的标准挤出机要求截然不同。
经过合理布局的传感器与一套新型控制框架，使平台机械臂能够稳定地拾取与放置各类工具，确保每个喷嘴实现精准、可重复的运动。这保证了每一层材料精准对齐，因为即使是微小的错位也会导致成品电机性能失效。
最终制成的电磁线圈（图 3）可产生最高 2.03 mT 的磁场，永磁体可产生最高 71 mT 的磁场，直线执行器在其谐振频率（41.6 Hz）下实现最大 318 μm 的位移。
作用于 3D 打印双轴弹簧的力与偏置直流电压（VDC）呈线性关系，这是因为磁力与线圈直流电流（IDC）呈线性关系（图 4）。这一特性与两端固支梁在中点受垂直集中力作用下产生大挠度时的准静态力学理论相符 —— 此时挠度与梁的高度大致相当，作用于梁的力与梁中点挠度的三次方成正比。
图 4 全 3D 打印直线电机中心磁体所施加的直流偏置电压与感应垂直位移关系图。（虚线为数据的三次拟合曲线）
这项研究成果以一篇长达 26 页、内容详实且可读性强的论文《基于多模式、多材料挤出的全 3D 打印电动机制造》发表在《虚拟与物理样机》期刊上。作为一项 MIT 研究项目，该论文不仅记录了研究工作与设计思路，还包含了受力、磁通密度、材料等多方面的深度分析。研究人员表示，他们正探索将直线电机制造方案扩展应用于旋转电机的制造。
