一、研究背景

电机、发电机、变压器等电气设备是电磁能产生、传输和利用的核心，随着新能源（如电动汽车）的发展，其制备工艺的低成本、高便捷性需求日益提升。传统电气设备制造需分别加工磁芯、导线、磁铁、机械连接件等部件，再进行组装，过程耗时、耗材，且依赖专用设备和材料。

增材制造（3D打印）具有净形制造、低废料、可定制复杂结构的优势，是实现电气设备一体化制造的潜在技术。目前已有研究实现了3D打印电气设备单一组件（如磁芯、导电线圈、永磁体），但存在两大核心问题：

• 现有多材料3D打印系统无法同时加工多种高性能功能材料，仍需依赖市售配件（如钕磁铁、铜带）完成设备组装；
• 不同材料的加工要求差异大，难以在单一平台实现集成化打印，限制了全3D打印电气设备的研发。

材料挤出式3D打印因成本低、操作简便、适配多材料的特性，成为研发全3D打印电气设备的优选技术，但传统挤出打印仅适配丝材，功能填料含量受限（体积占比≤55%），导致打印件性能不足。因此，开发适配丝材、颗粒、油墨等多形态原料的多模态多材料挤出3D打印系统，是实现全3D打印电机的关键突破点。

二、核心研究内容

本研究的核心是开发一套可同时加工丝材、颗粒、油墨的多模态多材料挤出3D打印平台，利用该平台打印电机的所有核心功能组件（螺线管、软磁芯、永磁体、柔性弹簧），并组装出**首台全3D打印线性执行器电机**，完成组件和整机的性能表征，验证技术可行性。

2.1 多模态多材料挤出3D打印系统搭建

以商用E3D Motion System和ToolChanger 3D打印机为基础进行改造，集成4种工具头，适配丝材、磁性颗粒、导电油墨等原料，整机成本低于4000美元，系统配置如下：

图1 多模态多材料挤出系统的工具头：(a)E3D Hemera丝材挤出头；(b)适配E3D换刀系统的Mahor v4颗粒挤出头（含3D打印定制外壳）；(c)定制油墨挤出头（注射器泵）；(d)油墨固化加热器

图2 为油墨/颗粒挤出头适配改造的E3D换刀系统底座

图3 系统最终工具头布局（从左到右：油墨挤出头、颗粒挤出头、丝材挤出头、加热器）

• 丝材挤出头：保留原装E3D Hemera，适配聚合物丝材，喷嘴0.4mm；
• 颗粒挤出头：集成Mahor v4 70W颗粒挤出头，定制3D打印外壳适配换刀系统；
• 油墨挤出头：自主搭建注射器泵，适配3mL注射器和20号钝针，用于导电油墨打印；
• 加热器：移除喷嘴的E3D挤出头，用于油墨的原位低温固化（80℃），避免PLA基底熔化。

2.2 功能材料选型与表征

选用5类功能材料，覆盖介电、导电、软磁、硬磁、柔性五大特性，适配不同打印原料形态，解决传统3D打印材料性能受限问题，关键材料性能如下：

图4 PLA基底上3D打印的PriElex AG-1074银油墨导电迹线

图5 银油墨迹线的激光共聚焦显微镜图像及高度测量（平均高度40.94μm，高度差30.15μm）

图6 锶铁氧体掺杂尼龙硬磁复合材料的磁滞回线（实测曲线+本征曲线，修正退磁因子N≈0.07）

2.3 电机核心组件的3D打印与性能表征

利用上述系统和材料，打印电机的四大核心组件：带软磁芯的螺线管、永磁体、双轴弯曲柔性弹簧，完成单组件性能测试，解决打印过程中的工艺难题（如油墨断墨、磁芯致密度低、材料附着力差等）。

2.3.1 3D打印带软磁芯螺线管

采用银油墨打印导电线圈、FeSiAl-尼龙颗粒打印软磁芯、PLA打印绝缘层，设计堆叠式阿基米德螺旋线圈结构，解决银油墨打印断墨问题（采用之字形扫略路径，使针头兼具涂覆和刷涂功能），对比三种螺线管性能：空芯、整体打印软磁芯、插入式软磁芯。

图7 整体打印FeSiAl-尼龙芯银油墨螺线管的3D打印工艺流程

图8 银油墨打印路径细节（绿色：导电路径，红色：绝缘层，蓝色：支撑，黄色：固化轨迹）

图9 3D打印银油墨基堆叠螺线管：(a)打印过程；(b)空芯螺线管俯视图；(c)FeSiAl-尼龙芯螺线管俯视图

图10 整体打印（左）和插入式（右）FeSiAl-尼龙软磁芯的特写（整体打印芯致密度低、几何不规则）

图11 四层螺线管的磁通密度与电流关系（插入式软磁芯比空芯提升68%，整体打印芯仅提升4%）

图12 八层螺线管与文献报道3D打印螺线管的性能对比（本研究银油墨+插入式软磁芯螺线管磁场强度是现有产品的4倍）

核心性能：八层插入式软磁芯螺线管可产生最大2.03mT磁场，较传统铜掺杂PLA螺线管提升近4倍，银油墨的高导电性使其可承受更大电流，且迹线更薄（~30μm），设备更紧凑。

2.3.2 3D打印永磁体

采用锶铁氧体-尼龙颗粒打印直径8.5mm、高度2/4/6/12mm的圆柱形永磁体，在打印基底铺设TPU薄层解决尼龙12附着力差问题，打印后用1.5T磁场磁化，测试其剩磁磁通密度。

图13 3D打印的锶铁氧体掺杂尼龙永磁体（直径8.5mm，高度从左到右：2、4、6、12mm）

图14 3D打印永磁体的剩磁磁通密度与长度关系（实验值+公式拟合值，R²=0.872，拟合磁化强度M=1.25×10⁵A/m）

核心性能：12mm高永磁体可产生最大71mT磁场，拟合磁化强度与材料本征剩磁偏差约15%，源于打印层状结构、孔隙率和几何偏差。

2.3.3 3D打印双轴弯曲柔性弹簧

采用FiberFlex 40D TPU丝材打印，设计中心平台+四根径向弹性系绳+中空圆柱框架结构，倒置打印避免支撑，系绳厚度300μm（兼顾柔性和结构强度），用于承载永磁体并实现电机的线性位移。

图15 Simplify3D中双轴弯曲柔性弹簧和支撑框架的渲染图（10mm标尺）

图16 3D打印的FiberFlex 40D TPU双轴弯曲柔性弹簧（10mm标尺，打印原位展示）

2.4 全3D打印电机的组装与整机性能表征

将上述组件组装为**线性执行器电机**：将2mm和4mm高永磁体固定在柔性弹簧中心平台（磁吸附固定，表面剩磁47mT），弹簧置于八层空芯银油墨螺线管上方（磁铁与螺线管间距~1mm），螺线管通电产生磁场，吸引/排斥永磁体实现弹簧的线性偏转。

图17 全3D打印线性电机的组装：(a)永磁体；(b)柔性弹簧；(c)弹簧+磁铁组装体；(d)整机组装体（观测方向标注）

图18 不同直流偏置电压下电机的垂直位移：Vin=-12V（左）、Vin=0V（中，灰度）、Vin=12V（右），Δz_DC为磁铁位移量

图19 直流偏置电压与磁铁垂直位移的关系（三次方拟合，R²=0.9989，符合大挠度梁的力-位移立方关系）

图20 电机振荡振幅与正弦输入信号频率的关系（6V峰峰值，共振频率~41.6Hz）

图21 共振频率下电机的峰值位移：Vin=0V（左，灰度）、Vin=3-sin(41.6×2πt)V（右），峰峰值位移636μm（Δz_AC=318μm）

整机核心性能：

• 直流特性：偏置电压-12V~12V，磁铁位移呈三次方非线性，源于柔性弹簧的大挠度特性；
• 交流特性：共振频率41.6Hz，最大线性位移318μm（峰峰值636μm）；
• 弹簧参数：结合磁铁质量（1.1g），拟合弹簧刚度k=75.2N/m。

2.5 技术展望与优化方向

研究还探讨了全3D打印电机的后续优化方向，包括原位磁化、旋转电机制备、单步一体化打印，并验证了3D打印机械轴承的可行性：

图22 3D打印的机械轴承（与美分硬币对比）：从左到右为球轴承、滚子轴承、行星齿轮轴承（基于Lalish设计）

图23 基于本研究技术的单步3D打印旋转电机概念设计（含轴、永磁体、轴承、多层线圈、柔性关节，支持折叠组装）

三、研究结论与创新点

3.1 核心研究结论

1. 成功开发了**多模态多材料挤出3D打印平台**，可同时加工丝材、颗粒、油墨三种形态的功能材料，突破了传统材料挤出打印仅适配丝材的限制，实现了介电、导电、软磁、硬磁、柔性五类功能材料的集成打印，整机成本低于4000美元，具备低成本和易推广性。

2. 利用该平台实现了电机所有核心组件的全3D打印，解决了银油墨断墨、磁芯致密度低、尼龙附着力差等工艺难题，其中银油墨+软磁芯螺线管的磁场强度达2.03mT，较现有3D打印螺线管提升近4倍，永磁体最大剩磁71mT，性能满足小型电机需求。

3. 组装出**首台全3D打印线性执行器电机**，仅需对永磁体进行后续磁化（唯一后处理步骤），电机在41.6Hz共振频率下实现318μm最大线性位移，验证了多模态多材料挤出技术制备全3D打印电气设备的可行性。

4. 指出了该技术的后续发展方向：实现永磁体的原位3D打印磁化、开发3D打印旋转电机、解决多材料单步一体化打印的工艺难题（如材料附着力、悬垂结构打印、设备可靠性），并验证了3D打印机械轴承的可行性，为旋转电机研发奠定基础。

5. 该技术实现了电气设备的低废料、定制化、原位制造，可拓展至机器人、太空探索、灾后救援、教育等领域，推动电气设备制造的平民化和一体化。

3.2 研究创新点

• **技术创新**：首次开发适配丝材、颗粒、油墨的多模态多材料挤出3D打印系统，实现多种高性能功能材料的集成加工，突破传统3D打印材料形态和性能限制；
• **产品创新**：制备出首台全3D打印线性电机，所有组件均由3D打印制备，仅需永磁体磁化一步后处理，是电气设备增材制造的里程碑；
• **工艺创新**：提出银油墨之字形打印路径、TPU薄层提升尼龙附着力、插入式软磁芯提升致密度等工艺方法，解决了多材料3D打印的关键工艺难题；
• **应用创新**：验证了3D打印电气设备在小型化、定制化领域的优势，为机器人、微机电系统（MEMS）、太空设备等领域的原位制造提供了新方案。

3.3 研究局限性与未来方向

局限性：1. 永磁体需离线磁化，增加了制造步骤；2. 软磁芯整体打印致密度低，需采用插入式结构；3. 电机为线性执行器，尚未实现旋转电机的3D打印；4. 多材料界面附着力、设备打印可靠性仍需提升。

未来方向：

• 集成磁场辅助打印模块，实现永磁体的原位3D打印磁化，消除后处理步骤；
• 优化颗粒打印工艺，提升软磁芯/硬磁体的致密度和几何精度，实现整体化打印；
• 研发3D打印机械轴承和密封件，实现旋转电机的全3D打印；
• 增加可溶性支撑材料、高导热介电材料，解决悬垂结构打印和电机散热问题；
• 开发工业级高可靠性多模态3D打印系统，推动技术的产业化应用。

四、论文基础信息