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AM易道导语
软体机器人必选3D打印技术吗？
在人工智能浪潮席卷全球的今天，智能机器人市场正迎来爆发式增长。
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据市场研究机构DataBridgeMarketResearch预测，到2030年，全球软体机器人市场规模将突破500亿美元，预计年复合增长率高达40%！其中，磁性驱动的柔性机器人因其精准可控、响应迅速的特点，在医疗手术、药物输送、工业检测等领域展现出巨大的商业潜力。然而，如何实现高性能磁性软结构的精密制造，一直是困扰业界的关键难题。就在市场翘首以盼之际，一项3D打印相关技术突破由清华大学研究团队发表。2025年1月22日，清华研究团队在国际顶尖期刊《Applied Materials Today》发表最新研究成果。![]()
团队成功开发出一种新型高浓度NdFeB磁性光敏树脂，实现了磁性颗粒含量高达35wt%的精密3D打印，这一创新成果不仅解决了高性能磁性软结构的制造难题，更为柔性机器人产业的快速发展注入了强劲动力。通过创新性地采用硅胶涂层释放膜，团队将打印过程中的脱模力降低了60%，从根本上解决了高浓度磁性材料打印的难题。
虽然引入磁性颗粒不可避免地影响了结构的机械性能，但团队通过优化设计，成功制作出了一款能够抓取1.73倍自重物体的磁性软体夹持器，展现出显著的应用价值。
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AM易道认为，这项突破性技术，再一次印证了3D打印在高端制造领域开辟全新赛道的实力和潜力。在生物医学、药物输送和微流控等前沿领域，磁性软结构因其快速响应、非接触驱动等独特优势，正展现出巨大的应用潜力。然而，现有制造技术的局限性一直是制约这一领域发展的瓶颈。传统的熔融沉积成型（FDM）和直写（DIW）工艺受限于喷嘴直径，打印精度难以突破100μm；而数字光处理（DLP）技术虽然精度优异，但在处理高浓度磁性材料时往往面临固化不充分、层间结合差等问题。为突破这一技术瓶颈，研究团队在材料设计方面进行了系统创新。![]()
如图1所示，他们开发出的新型磁性光敏树脂采用了独特的四组分设计：以H-04光敏树脂为基体，配合平均粒径5μm的NdFeB磁性粉体，通过添加高分子量分散剂（BYK 163）和流变改性剂（Disparlon 6900-20X），成功将磁性颗粒含量提升至35wt%。特别值得一提的是，团队创新性地引入0.5wt%的气相二氧化硅（AEROSIL R972），这一添加剂显著改善了树脂的流变性能，为高质量打印奠定了基础。为确保高浓度磁性树脂的打印质量，研究团队在工艺优化方面进行了全方位创新。改性后的树脂在60分钟内沉降率仅为4%，即使在24小时后也能保持低于10%的沉降率。这一性能显著优于未改性树脂（60分钟内沉降率高达44%）。此外，团队发现保持树脂液面高度在15mm以上对于确保打印质量至关重要，这一发现为工艺参数优化提供了重要指导。![]()
如图2所示，团队设计了一种复合型释放膜，由氧气透过膜（ACF）和100μm厚的Ecoflex硅胶层（00-30型号）组成。这种特殊的释放膜不仅创造了新的树脂固化死区，更使脱模力降低超过60%，从根本上解决了高浓度磁性树脂的打印难题。通过系统优化，团队确定了最佳工艺参数：单层曝光时间15秒，层厚50μm。特别创新的是，他们采用透明树脂作为打印的过渡层，显著提高了样件与打印平台的结合强度，保证了打印过程的稳定性。扫描电镜观察显示，打印样件的层间结合完美，磁性颗粒分布均匀，层厚误差控制在1%以内。为全面评估打印样件的性能，研究团队设计了一系列系统化的测试方案。在打印精度方面，他们开发了包含15种不同结构的测试模型，涵盖最小直径100μm的圆柱阵列、薄壁结构、复杂曲面以及多层网格结构。测试结果显示，所有结构的尺寸精度误差控制在1%以内。值得注意的是，对于小于1mm的结构，凸起特征比凹陷特征的打印成功率更高，这一发现为结构设计提供了重要参考。![]()
在力学性能方面，即使在35wt%的高磁性颗粒含量下，样件仍保持着105.3%的断裂伸长率和107.5kPa的杨氏模量。改性后的树脂展现出优异的剪切变稀特性，平均粘度为597.1mPa·s，这确保了打印过程中的良好流动性。![]()
如图4所示，通过SQUID-VSM测试，样件的磁化强度达到21.5emu/g的领先水平。
在磁场响应性测试中，35wt%样件在40mT外加磁场下的偏转角度达到35.17°，与有限元仿真结果的误差仅为2.7%，充分验证了材料设计的有效性。
他们开发的磁性软体夹持器采用了独特的后处理工艺，包括酒精清洗、UV光照二次固化、100℃热处理3小时以及3天的日光照射。这一系统的后处理方案有效消除了残余应力，确保了产品的长期性能稳定。在驱动方案设计方面，团队开发了一种基于注射器原理的便携式装置。通过将永磁体固定在注射器活塞上，操作者可以通过推拉活塞杆来精确控制永磁体与夹持器之间的距离，从而实现对夹持器的精确控制。在底部等效磁场强度为40mT的条件下，该系统展现出优异的可靠性。![]()
如图5所示，这款夹持器采用水母仿生设计，包含一个圆形基座和六个对称分布的触手，触手的收缩-展开角度巧妙设计为25°，有效避免了相互干扰。在驱动方式上，夹持器利用了磁场响应原理。
当施加50mT的外部磁场时，触手会产生协调的收缩运动。这个磁场强度的选择既保证了足够的驱动力，又避免了过大磁场可能带来的材料损伤。
特别值得一提的是，团队开发的样品重量仅为1.55g，却能稳定抓取重达2.68g的物体，展现出近1.73倍的负载能力。
这些创新设计和优异性能充分展示了该技术在智能软体机器人领域的巨大应用潜力。
AM易道认为，这项技术的重要性体现在以下几个方面：与传统的模具辅助热硅胶成型（50wt% NdFeB，33.35 emu/g）和挤出式硅胶3D打印（20vol% NdFeB，32.87 emu/g）相比，虽然磁性颗粒含量较低，但实现了更高的打印精度和更复杂的三维结构制造能力。另外相比于其他DLP打印技术，如使用CN981 NS树脂的微连续液面成型（20wt% NdFeB:Fe₃O₄，4.94 emu/g）和使用XYZ柔性树脂的循环槽光聚合（30wt% SrFe₁₂O₁₉，16.35 emu/g），本研究在保持高精度的同时，显著提升了磁性能。在未来发展方向上，AM易道认为，这项研究为智能软体机器人领域带来了新的发展机遇。虽然类似方法在大尺寸打印稳定性仍存在挑战，但这种将高浓度磁性材料与精密3D打印相结合的方法，将推动生物医学器件、微流控系统等领域的创新发展。回到文章开头的问题，软体机器人一定要选择3D打印吗？感谢您阅读到了最后，如果觉得AM易道文章有价值，请您点赞、转发、关注AM易道，与您一道发现3D打印的下一个奇点。Reference:
1. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2025.102610
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