軟體機(jī)器人必選3D打印技術(shù)嗎？
在人工智能浪潮席卷全球的今天，智能機(jī)器人市場正迎來爆發(fā)式增長。
據(jù)市場研究機(jī)構(gòu)DataBridgeMarketResearch預(yù)測，到2030年，全球軟體機(jī)器人市場規(guī)模將突破500億美元，預(yù)計(jì)年復(fù)合增長率高達(dá)40%！
其中，磁性驅(qū)動(dòng)的柔性機(jī)器人因其精準(zhǔn)可控、響應(yīng)迅速的特點(diǎn)，在醫(yī)療手術(shù)、藥物輸送、工業(yè)檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的商業(yè)潛力。
然而，如何實(shí)現(xiàn)高性能磁性軟結(jié)構(gòu)的精密制造，一直是困擾業(yè)界的關(guān)鍵難題。
就在市場翹首以盼之際，一項(xiàng)3D打印相關(guān)技術(shù)突破由清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表。
2025年1月22日，清華研究團(tuán)隊(duì)在國際頂尖期刊《Applied Materials Today》發(fā)表最新研究成果。
團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種新型高濃度NdFeB磁性光敏樹脂，實(shí)現(xiàn)了磁性顆粒含量高達(dá)35wt%的精密3D打印，這一創(chuàng)新成果不僅解決了高性能磁性軟結(jié)構(gòu)的制造難題，更為柔性機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展注入了強(qiáng)勁動(dòng)力。
通過創(chuàng)新性地采用硅膠涂層釋放膜，團(tuán)隊(duì)將打印過程中的脫模力降低了60%，從根本上解決了高濃度磁性材料打印的難題。
雖然引入磁性顆粒不可避免地影響了結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能，但團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功制作出了一款能夠抓取1.73倍自重物體的磁性軟體夾持器，展現(xiàn)出顯著的應(yīng)用價(jià)值。
AM易道認(rèn)為，這項(xiàng)突破性技術(shù)，再一次印證了3D打印在高端制造領(lǐng)域開辟全新賽道的實(shí)力和潛力。
應(yīng)用前景與技術(shù)挑戰(zhàn)
在生物醫(yī)學(xué)、藥物輸送和微流控等前沿領(lǐng)域，磁性軟結(jié)構(gòu)因其快速響應(yīng)、非接觸驅(qū)動(dòng)等獨(dú)特優(yōu)勢，正展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
然而，現(xiàn)有制造技術(shù)的局限性一直是制約這一領(lǐng)域發(fā)展的瓶頸。
傳統(tǒng)的熔融沉積成型（FDM）和直寫（DIW）工藝受限于噴嘴直徑，打印精度難以突破100μm；
而數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)雖然精度優(yōu)異，但在處理高濃度磁性材料時(shí)往往面臨固化不充分、層間結(jié)合差等問題。
材料創(chuàng)新帶來性能突破
為突破這一技術(shù)瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)在材料設(shè)計(jì)方面進(jìn)行了系統(tǒng)創(chuàng)新。
如圖1所示，他們開發(fā)出的新型磁性光敏樹脂采用了獨(dú)特的四組分設(shè)計(jì)：
以H-04光敏樹脂為基體，配合平均粒徑5μm的NdFeB磁性粉體，通過添加高分子量分散劑（BYK 163）和流變改性劑（Disparlon 6900-20X），成功將磁性顆粒含量提升至35wt%。
特別值得一提的是，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地引入0.5wt%的氣相二氧化硅（AEROSIL R972），這一添加劑顯著改善了樹脂的流變性能，為高質(zhì)量打印奠定了基礎(chǔ)。
工藝突破：DLP技術(shù)的系統(tǒng)創(chuàng)新
為確保高濃度磁性樹脂的打印質(zhì)量，研究團(tuán)隊(duì)在工藝優(yōu)化方面進(jìn)行了全方位創(chuàng)新。他們系統(tǒng)性地解決了樹脂穩(wěn)定性問題。
改性后的樹脂在60分鐘內(nèi)沉降率僅為4%，即使在24小時(shí)后也能保持低于10%的沉降率。這一性能顯著優(yōu)于未改性樹脂（60分鐘內(nèi)沉降率高達(dá)44%）。
此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)保持樹脂液面高度在15mm以上對于確保打印質(zhì)量至關(guān)重要，這一發(fā)現(xiàn)為工藝參數(shù)優(yōu)化提供了重要指導(dǎo)。
在打印工藝方面，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了新技術(shù)方案。
如圖2所示，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型釋放膜，由氧氣透過膜（ACF）和100μm厚的Ecoflex硅膠層（00-30型號）組成。
這種特殊的釋放膜不僅創(chuàng)造了新的樹脂固化死區(qū)，更使脫模力降低超過60%，從根本上解決了高濃度磁性樹脂的打印難題。
通過系統(tǒng)優(yōu)化，團(tuán)隊(duì)確定了最佳工藝參數(shù)：單層曝光時(shí)間15秒，層厚50μm。
特別創(chuàng)新的是，他們采用透明樹脂作為打印的過渡層，顯著提高了樣件與打印平臺的結(jié)合強(qiáng)度，保證了打印過程的穩(wěn)定性。
掃描電鏡觀察顯示，打印樣件的層間結(jié)合完美，磁性顆粒分布均勻，層厚誤差控制在1%以內(nèi)。
性能驗(yàn)證：系統(tǒng)化的表征與測試
為全面評估打印樣件的性能，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一系列系統(tǒng)化的測試方案。
在打印精度方面，他們開發(fā)了包含15種不同結(jié)構(gòu)的測試模型，涵蓋最小直徑100μm的圓柱陣列、薄壁結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面以及多層網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。
測試結(jié)果顯示，所有結(jié)構(gòu)的尺寸精度誤差控制在1%以內(nèi)。值得注意的是，對于小于1mm的結(jié)構(gòu)，凸起特征比凹陷特征的打印成功率更高，這一發(fā)現(xiàn)為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要參考。
如圖3所示，團(tuán)隊(duì)對打印樣件進(jìn)行了系統(tǒng)的性能表征。
在力學(xué)性能方面，即使在35wt%的高磁性顆粒含量下，樣件仍保持著105.3%的斷裂伸長率和107.5kPa的楊氏模量。
改性后的樹脂展現(xiàn)出優(yōu)異的剪切變稀特性，平均粘度為597.1mPa·s，這確保了打印過程中的良好流動(dòng)性。
更令人矚目的是材料的磁性能表現(xiàn)。
如圖4所示，通過SQUID-VSM測試，樣件的磁化強(qiáng)度達(dá)到21.5emu/g的領(lǐng)先水平。
在磁場響應(yīng)性測試中，35wt%樣件在40mT外加磁場下的偏轉(zhuǎn)角度達(dá)到35.17°，與有限元仿真結(jié)果的誤差僅為2.7%，充分驗(yàn)證了材料設(shè)計(jì)的有效性。
創(chuàng)新應(yīng)用：從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用的跨越
研究團(tuán)隊(duì)在應(yīng)用開發(fā)方面創(chuàng)新十足。
他們開發(fā)的磁性軟體夾持器采用了獨(dú)特的后處理工藝，包括酒精清洗、UV光照二次固化、100℃熱處理3小時(shí)以及3天的日光照射。
這一系統(tǒng)的后處理方案有效消除了殘余應(yīng)力，確保了產(chǎn)品的長期性能穩(wěn)定。
在驅(qū)動(dòng)方案設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于注射器原理的便攜式裝置。
通過將永磁體固定在注射器活塞上，操作者可以通過推拉活塞桿來精確控制永磁體與夾持器之間的距離，從而實(shí)現(xiàn)對夾持器的精確控制。
在底部等效磁場強(qiáng)度為40mT的條件下，該系統(tǒng)展現(xiàn)出優(yōu)異的可靠性。
如圖5所示，這款?yuàn)A持器采用水母仿生設(shè)計(jì)，包含一個(gè)圓形基座和六個(gè)對稱分布的觸手，觸手的收縮-展開角度巧妙設(shè)計(jì)為25°，有效避免了相互干擾。
在驅(qū)動(dòng)方式上，夾持器利用了磁場響應(yīng)原理。
當(dāng)施加50mT的外部磁場時(shí)，觸手會(huì)產(chǎn)生協(xié)調(diào)的收縮運(yùn)動(dòng)。這個(gè)磁場強(qiáng)度的選擇既保證了足夠的驅(qū)動(dòng)力，又避免了過大磁場可能帶來的材料損傷。
特別值得一提的是，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的樣品重量僅為1.55g，卻能穩(wěn)定抓取重達(dá)2.68g的物體，展現(xiàn)出近1.73倍的負(fù)載能力。
這些創(chuàng)新設(shè)計(jì)和優(yōu)異性能充分展示了該技術(shù)在智能軟體機(jī)器人領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力。
技術(shù)價(jià)值與發(fā)展方向
AM易道認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：技術(shù)在精度和磁性能之間找到了最佳平衡點(diǎn)。
與傳統(tǒng)的模具輔助熱硅膠成型（50wt% NdFeB，33.35 emu/g）和擠出式硅膠3D打印（20vol% NdFeB，32.87 emu/g）相比，雖然磁性顆粒含量較低，但實(shí)現(xiàn)了更高的打印精度和更復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)制造能力。
另外相比于其他DLP打印技術(shù)，如使用CN981 NS樹脂的微連續(xù)液面成型（20wt% NdFeB:Fe?O?，4.94 emu/g）和使用XYZ柔性樹脂的循環(huán)槽光聚合（30wt% SrFe??O??，16.35 emu/g），本研究在保持高精度的同時(shí)，顯著提升了磁性能。
在未來發(fā)展方向上，AM易道認(rèn)為，這項(xiàng)研究為智能軟體機(jī)器人領(lǐng)域帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。
雖然類似方法在大尺寸打印穩(wěn)定性仍存在挑戰(zhàn)，但這種將高濃度磁性材料與精密3D打印相結(jié)合的方法，將推動(dòng)生物醫(yī)學(xué)器件、微流控系統(tǒng)等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。也將給光固化3D打印的應(yīng)用開辟新道路。
回到文章開頭的問題，軟體機(jī)器人一定要選擇3D打印嗎？相信看完此研究，答案已逐步明晰。
