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軟體機器人必選3D打印?清華大學創新光固化實現強磁性軟結構精密制造
2025-02-06 11:12:06

軟體機器人必選3D打印技術嗎?

在人工智能浪潮席卷全球的今天,智能機器人市場正迎來爆發式增長。

據市場研究機構DataBridgeMarketResearch預測,到2030年,全球軟體機器人市場規模將突破500億美元,預計年復合增長率高達40%!

其中,磁性驅動的柔性機器人因其精準可控、響應迅速的特點,在醫療手術、藥物輸送、工業檢測等領域展現出巨大的商業潛力。

然而,如何實現高性能磁性軟結構的精密制造,一直是困擾業界的關鍵難題。

就在市場翹首以盼之際,一項3D打印相關技術突破由清華大學研究團隊發表。

2025年1月22日,清華研究團隊在國際頂尖期刊《Applied Materials Today》發表最新研究成果。

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團隊成功開發出一種新型高濃度NdFeB磁性光敏樹脂,實現了磁性顆粒含量高達35wt%的精密3D打印,這一創新成果不僅解決了高性能磁性軟結構的制造難題,更為柔性機器人產業的快速發展注入了強勁動力。

通過創新性地采用硅膠涂層釋放膜,團隊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構的機械性能,但團隊通過優化設計,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,展現出顯著的應用價值。

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AM易道認為,這項突破性技術,再一次印證了3D打印在高端制造領域開辟全新賽道的實力和潛力。


應用前景與技術挑戰

在生物醫學、藥物輸送和微流控等前沿領域,磁性軟結構因其快速響應、非接觸驅動等獨特優勢,正展現出巨大的應用潛力。

然而,現有制造技術的局限性一直是制約這一領域發展的瓶頸。

傳統的熔融沉積成型(FDM)和直寫(DIW)工藝受限于噴嘴直徑,打印精度難以突破100μm;

而數字光處理(DLP)技術雖然精度優異,但在處理高濃度磁性材料時往往面臨固化不充分、層間結合差等問題。


材料創新帶來性能突破

為突破這一技術瓶頸,研究團隊在材料設計方面進行了系統創新。

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如圖1所示,他們開發出的新型磁性光敏樹脂采用了獨特的四組分設計:

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,團隊創新性地引入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,為高質量打印奠定了基礎。


工藝突破:DLP技術的系統創新

為確保高濃度磁性樹脂的打印質量,研究團隊在工藝優化方面進行了全方位創新。他們系統性地解決了樹脂穩定性問題。

改性后的樹脂在60分鐘內沉降率僅為4%,即使在24小時后也能保持低于10%的沉降率。這一性能顯著優于未改性樹脂(60分鐘內沉降率高達44%)。

此外,團隊發現保持樹脂液面高度在15mm以上對于確保打印質量至關重要,這一發現為工藝參數優化提供了重要指導。

在打印工藝方面,團隊開發出了新技術方案。

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如圖2所示,團隊設計了一種復合型釋放膜,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造了新的樹脂固化死區,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。

通過系統優化,團隊確定了最佳工藝參數:單層曝光時間15秒,層厚50μm。

特別創新的是,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合強度,保證了打印過程的穩定性。

掃描電鏡觀察顯示,打印樣件的層間結合完美,磁性顆粒分布均勻,層厚誤差控制在1%以內。


性能驗證:系統化的表征與測試

為全面評估打印樣件的性能,研究團隊設計了一系列系統化的測試方案。

在打印精度方面,他們開發了包含15種不同結構的測試模型,涵蓋最小直徑100μm的圓柱陣列、薄壁結構、復雜曲面以及多層網格結構。

測試結果顯示,所有結構的尺寸精度誤差控制在1%以內。值得注意的是,對于小于1mm的結構,凸起特征比凹陷特征的打印成功率更高,這一發現為結構設計提供了重要參考。

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如圖3所示,團隊對打印樣件進行了系統的性能表征。

在力學性能方面,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。

改性后的樹脂展現出優異的剪切變稀特性,平均粘度為597.1mPa·s,這確保了打印過程中的良好流動性。

更令人矚目的是材料的磁性能表現。

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如圖4所示,通過SQUID-VSM測試,樣件的磁化強度達到21.5emu/g的領先水平。

在磁場響應性測試中,35wt%樣件在40mT外加磁場下的偏轉角度達到35.17°,與有限元仿真結果的誤差僅為2.7%,充分驗證了材料設計的有效性。


創新應用:從實驗室到實際應用的跨越

研究團隊在應用開發方面創新十足。

他們開發的磁性軟體夾持器采用了獨特的后處理工藝,包括酒精清洗、UV光照二次固化、100℃熱處理3小時以及3天的日光照射。

這一系統的后處理方案有效消除了殘余應力,確保了產品的長期性能穩定。

在驅動方案設計方面,團隊開發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,從而實現對夾持器的精確控制。

在底部等效磁場強度為40mT的條件下,該系統展現出優異的可靠性。

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如圖5所示,這款夾持器采用水母仿生設計,包含一個圓形基座和六個對稱分布的觸手,觸手的收縮-展開角度巧妙設計為25°,有效避免了相互干擾。

在驅動方式上,夾持器利用了磁場響應原理。

當施加50mT的外部磁場時,觸手會產生協調的收縮運動。這個磁場強度的選擇既保證了足夠的驅動力,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,團隊開發的樣品重量僅為1.55g,卻能穩定抓取重達2.68g的物體,展現出近1.73倍的負載能力。

這些創新設計和優異性能充分展示了該技術在智能軟體機器人領域的巨大應用潛力。


技術價值與發展方向

AM易道認為,這項技術的重要性體現在以下幾個方面:技術在精度和磁性能之間找到了最佳平衡點。

與傳統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,但實現了更高的打印精度和更復雜的三維結構制造能力。

另外相比于其他DLP打印技術,如使用CN981 NS樹脂的微連續液面成型(20wt% NdFeB:Fe?O?,4.94 emu/g)和使用XYZ柔性樹脂的循環槽光聚合(30wt% SrFe??O??,16.35 emu/g),本研究在保持高精度的同時,顯著提升了磁性能。

在未來發展方向上,AM易道認為,這項研究為智能軟體機器人領域帶來了新的發展機遇。

雖然類似方法在大尺寸打印穩定性仍存在挑戰,但這種將高濃度磁性材料與精密3D打印相結合的方法,將推動生物醫學器件、微流控系統等領域的創新發展。也將給光固化3D打印的應用開辟新道路。

回到文章開頭的問題,軟體機器人一定要選擇3D打印嗎?相信看完此研究,答案已逐步明晰。


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