直线电机革命：荷兰初创公司降低LFAM设备运动成本10倍

几乎所有3D打印机都通过皮带和带轮来移动打印头，这种成本低廉的方案存在一定局限性。
皮带会拉伸、振动，并随着时间推移失去刚性。
皮带驱动在设备尺寸扩大时逐渐显现诸多挑战，例如拉伸、振动和磨损等问题开始影响打印质量、速度与系统可靠性。
多年来，行业已有更快、更精准的替代方案，就是直线电机，但其价格使许多设备制造商望而却步。

荷兰初创公司 Tesseract Technologies 凭借其可集成于大幅面FDM 3D打印机中的线性电机系统，成功入选Formnext新人奖决赛名单。
Tesseract Technologies推出可替代大型3D打印机中皮带驱动的「新一代线性电机」，希望通过一款从硬件到固件完全自主研发的直线电机来改变这一现状。

Tesseract开发的直线电机专为3D打印应用设计，在确保提升功能性的同时，无需负担传统直线电机通常伴随的高昂价格。
通过采用高性价比组件并「从零开始」搭建电机系统，该公司成功将线性电机成本降低达十倍。
直线电机借助磁轨驱动打印头运动，实现了更平稳和更精确的位移。

该项目最初是其创始人 Timothy Kramer（蒂莫西·克雷默） 的毕业论文课题，如今已在实际机器上运行，例如荷兰3D打印机制造商FELIXprinters的FELIX Pro XXL。
该产品计划于2027年第一季度商用。
我们与创始人进行了交流，以了解移除皮带后会发生什么变化、闭环控制如何持续校正打印头的位置，以及多个工具头在同一轴线上同时工作可能催生何种全新机器。
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我叫 Timothy Kramer（蒂莫西·克雷默），是 Tesseract Technologies 的创始人。
在2010年代求学期间，我对3D打印深深着迷。
能够在电脑上设计东西，然后亲眼看着零件在你面前被制造出来，这种体验令人充满力量。
然而，困扰我的是打印速度。
2017年，我发现了直线电机。
它更快、更精准，具备持续误差修正能力且维护需求极低。
鉴于这些优势，我不禁思考为什么增材制造尚未采用这项技术。
原因最终归结于成本，这由高端工业市场所决定。
因此，作为我的毕业论文课题，我给自己设定了一个挑战，开发一款价格可承受的直线电机。
我从零开始构建了一个工作原型，到2020年时，该原型在性能上已经超越了3D打印机的运动系统。
自那时起，我们从未停止开发。

我们的使命是让直线电机技术能够被更广泛的设备制造商和应用场景所使用。
高性能运动系统不应仅限于那些能够承担昂贵高端系统的少数应用。
我们填补了传统驱动方案（如步进电机）与高端工业直线电机之间的空白。
我们提供现代机器所需的速度、精度、可靠性和闭环控制，且成本对每种应用场景都具有意义。
这使得设备制造商能够打造更快、更可靠的机器，而无需过度设计其运动系统。

Tesseract的线性电机系统相比传统的皮带驱动方案，能够提供更优的精度、速度和可靠性。
直线电机借助磁轨驱动打印头运动，实现了更平稳和更精确的位移。
在皮带传动系统中，电机通过皮带驱动与其连接的滑块。
皮带就像橡皮筋一样，运动过程中会拉伸，并且会产生振动。
在打印成品上，这表现为三个方面。
存在一些校正技术，例如输入整形（input shaping），可以减轻这些影响。
然而，这些技术的能力有限，且会以牺牲其他方面为代价，比如拐角圆化。
皮带的刚性还会随时间和温度变化而变化，因此之前校准好的机器今天可能表现不同。
打印头越重，问题就越严重。
颗粒挤出机或大型龙门架需要更大的力来驱动，而更大的力意味着更大的皮带拉伸。
直线电机完全消除了这一弹性连接。
磁铁集成在轴线上，线圈位于我们的滑块中，因此滑块被直接驱动，中间没有任何弹性元件。
结果是：在不损失细节的前提下实现更高速度，以及更好的重复定位精度。
此外，性能保持一致性，不会随着皮带老化而下降。
对于设备制造商而言，结果是更高的生产率和更少的维护；对于打印农场而言，结果是更可靠的运行和更少的停机时间。
这些优势随着机器尺寸和运动部件重量的增加而放大，而恰恰在这些场景中，皮带开始成为限制因素。

Tesseract的高适应性直线电机解决方案包含定子和转子，其电机精度得益于磁编码器，可实现0.5微米的精度定位。
每一条定子轨道均为客户3D打印机的实际尺寸和规格定制生产。
与现有同等性能产品相比，我们目前具有二到五倍的成本效益优势。
我们通过从零开始开发直线电机的每一个环节来实现这一目标，包括电机硬件、控制电子、传感技术和固件。
在硬件方面，我们拥有一个超过1500万个可行电机模型的数据库，并对其应用我们的优化流程。
再加上明智的设计选择和广泛可用的材料与电子元器件，最终形成了一个具有成本效益的平台，我们可以在此平台上持续创新，同时符合工业标准和法规。

直线电机在速度、精度、重复定位精度、可靠性和维护方面具有优势。
但其价值远不止于让大型机器移动得更快。
由于我们的系统以闭环方式运行，每个滑块的位置都会被持续测量和校正。
如果在打印过程中打印头被碰撞或用手移动，它会简单地回到应有的位置。
而在当今的大多数打印机上，同样的干扰会导致机器以偏移的位置继续打印，最终零件只能报废。
在生产环境中，这转化为更高的工艺可靠性、更好的重复定位精度，以及因定位误差而损失零件的风险大幅降低。
这些优势在大型机器上尤为显著。
在大型设备中，长皮带、运动质量和大力很快成为限制因素。
但在小型机器上，只要精度、重复定位精度或皮带磨损是需要考虑的关键因素，这些优势同样重要。
移除皮带消除了机器服役寿命期间发生变化的一个变量。
更深层的变革在于它为设计者带来的可能性。
多个滑块可以在同一轴线上独立移动。
这样一来，多个工具头或龙门架就可以同时在同一零件上工作，而不仅仅是单个打印头移动得更快。
而且，由于没有皮带、带轮或其他传动部件需要在机器中布线，运动系统可以被集成到传统布局难以实现的地方。
正是在这一点上，它不再是更快的皮带驱动，而是一种截然不同的机器设计方式。

我们的主要开发合作伙伴之一是同样位于荷兰的3D打印机制造商 FELIXprinters。
在法兰克福的Formnext 2025展会上，我们展示了运行于我们直线电机之上的FELIX Pro XXL机器，他们将带着最新版本重返Formnext 2026。
该设备轴线尺寸约为1.5 x 1.7米，成型面积约为1 x 1.5米。
机器配备了两个独立工具头（IDEX）。
我们学到了很多关于如何根据特定要求开发这些电机的经验。
我们还学会了如何利用我们的电子系统来分析电机的每一个方面，同时确保精确定位。
然而，最重要的经验是关于围绕电机的机器本身。
集成这些电机需要一台机械结构稳固的机器，这现在是我们与每位新合作伙伴讨论的首要话题之一。

Tesseract正准备与一家经验丰富的机器制造和生产企业建立战略合作伙伴关系，双方预计将于2027年第一季度将我们的技术推向市场。
我们将提供直线电机技术和控制系统，而合作伙伴将负责产业化和批量生产。
展望更远的未来，最令我兴奋的是同步多工具头运动。
由于多个滑块可以在单一轴线上独立运行，这项技术为多种工具同时工作的机器架构打开了大门。
这不仅是改进现有机器，更是设计全新机器的理由。
我们始终对与业内其他公司合作持开放态度，尤其是切片软件专家，以将同步多工具头打印变为现实。

Tesseract Technologies目前正与多家3D打印机生产商进行直线电机的试点合作。
该公司表示：「我们的目标明确：通过让每一家3D打印机制造商都用上高性能直线运动技术，加速从传统制造向增材制造的转型。」
您可以在2025年Formnext展会初创企业区进一步了解Tesseract的技术方案并实地观看其直线电机系统。
与Tesseract一同入围新人奖的还有专注于早产儿定制硅胶面具的3DMyMask，以及推出首款商用多材料牙科增材制造方案的Fidentis GmbH。
欲了解更多关于 Tesseract Technologies 的信息，请访问其网站此处。