新能源汽車的生態(tài)系統(tǒng)是開放的，是變化和動態(tài)的。傳統(tǒng)汽車從設(shè)計定型到新車出廠通常需要三年時間，在此期間針對這些零件生產(chǎn)的工藝與供應(yīng)鏈都進(jìn)入到了固化狀態(tài)。而像特斯拉這樣的車企，其軟件幾乎每個月都會更新。數(shù)字化的基因可以說根植在新造車勢力的血液中。
除了汽車上用的鋁合金和銅合金，目前適合粘結(jié)劑金屬3D打印技術(shù)的鋼材料包括：17-4PH不銹鋼、304L不銹鋼、316L不銹鋼、M2工具鋼、H13工具鋼，還包括4140不銹鋼、420不銹鋼、4340不銹鋼、4605不銹鋼等正在開發(fā)的材料[3]。
此外，塑料3D打印及碳纖維復(fù)合材料3D打印發(fā)展迅速，豐富了汽車3D打印的技術(shù)選擇。
車企應(yīng)用案例
汽車行業(yè)需要利用3D打印技術(shù)的具體優(yōu)勢來提升產(chǎn)品設(shè)計，然而要想將3D打印用于具體的汽車零部件生產(chǎn)，需要突破的一大挑戰(zhàn)是經(jīng)濟(jì)性。目前，用于3D打印的汽車零部件大多數(shù)是小批量的十幾個，要增加到汽車行業(yè)普遍所需要的高達(dá)100萬的產(chǎn)量，3D打印必須要突破經(jīng)濟(jì)性的障礙。
下面將通過介紹3D打印技術(shù)在大眾、福特、寶馬等企業(yè)的最新應(yīng)用進(jìn)展，來探究3D打印技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
l 大眾
大眾在2019年就發(fā)布了將在大眾汽車上使用惠普金屬3D打印技術(shù)的計劃，首先是進(jìn)行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并盡快將惠普的HP Metal Jet金屬3D打印的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。
大眾的目標(biāo)是每年制造5～10萬個足球大小尺寸的零件，這些零件可能包括變速桿和后視鏡支架等。增材制造因其在輕量化方面的優(yōu)勢而在不斷增長的電動汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得部署。目前，大眾成立了加州創(chuàng)新與工程中心（IECC），推出了一款集成 3D 打印的獨(dú)特概念車，并很快宣布與 GKN 和惠普一起在HP Metal Jet上生產(chǎn)了 10000 個金屬零件（見圖1）。正是這一里程碑為大眾與惠普繼續(xù)合作，并為大眾的3D打印結(jié)構(gòu)部件集成到其下一代汽車中鋪平了道路。
圖1 HP Metal Jet 技術(shù)生產(chǎn)的汽車零部件
金屬粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)將推動大眾制造中3D打印技術(shù)邁向成熟，從而使該技術(shù)具有成本效益。為了利用粘結(jié)劑噴射的優(yōu)勢，大眾正在擴(kuò)大與惠普的合作伙伴關(guān)系，以布局更多產(chǎn)能，并引入西門子為該技術(shù)提供專門的軟件。
通過西門子的自動化和軟件解決方案，大眾將能夠更快、更靈活、使用更少的資源來開發(fā)和生產(chǎn)零部件。到目前為止，使用粘結(jié)劑噴射制造的第一批汽車零部件已送往大眾的奧斯納布呂克工廠進(jìn)行認(rèn)證。該零件用于大眾T-Roc敞篷車的 A 柱，據(jù)相關(guān)資料顯示，其重量是由鋼板制成的傳統(tǒng)部件的一半。
l 福特
福特在2021年宣布，計劃在規(guī)模化汽車制造中采用3D打印技術(shù)。福特之前在3D打印技術(shù)方面取得了一定程度的成功，不過當(dāng)時僅涉及較低的產(chǎn)量。但福特現(xiàn)在的技術(shù)遠(yuǎn)不止于小批量的3D打印生產(chǎn)應(yīng)用，其正在開發(fā)的3D打印零部件將用于福特“非常受歡迎的車型”的全面生產(chǎn)。
福特用于粘結(jié)劑噴射金屬3D打印的粉末是Al6061，而成功將鋁應(yīng)用于汽車零部件3D打印生產(chǎn)的意義是重大的：從傳統(tǒng)制造工藝到3D打印工藝的轉(zhuǎn)變將通過簡化設(shè)計來減輕重量、節(jié)省空間、提高零部件性能，以及節(jié)省成本和時間。
針對3D打印下一代電動機(jī)，福特還與蒂森克虜伯、亞琛工業(yè)大學(xué)組成聯(lián)盟開始了一項(xiàng)研究，以開發(fā)下一代電動汽車靈活、可持續(xù)的生產(chǎn)工藝。目前，開發(fā)的項(xiàng)目名稱是HaPiPro2，指的是發(fā)夾技術(shù)。發(fā)夾繞組是電動機(jī)領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統(tǒng)的繞線電動機(jī)更易于自動化，并且在汽車領(lǐng)域特別受歡迎，因?yàn)樗梢源蟠罂s短制造時間。
電動汽車的電動機(jī)定子繞組的開發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：銅導(dǎo)體、繞組工藝與槽口幾何形狀必須匹配；彼此纏繞的導(dǎo)體形成牢固的圖案；此外，圓形導(dǎo)線（經(jīng)典的導(dǎo)體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳，結(jié)果每個凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導(dǎo)體橫截面可確保較大的電熱損耗。
3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發(fā)障礙。由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)涉及復(fù)雜的彎曲和焊接過程，所以3D打印帶來的時間節(jié)省，尤其是在所謂的發(fā)夾繞組上得到了回報。
讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢。目前，市場上熟知的L-PBF選區(qū)激光金屬熔化3D打印，以及粘結(jié)劑噴射金屬3D打印，均是最為主要的應(yīng)用技術(shù)。
通過3D打印電動機(jī)銅線圈繞組，改變一百多年來的電動機(jī)線圈設(shè)計思路。傳統(tǒng)工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電動機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空間內(nèi)很難展現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，而3D打印將帶來一定的改變。
l 寶馬
寶馬于2019年3月在慕尼黑舉行了IDAM聯(lián)合項(xiàng)目啟動會議，旨在為增材制造業(yè)進(jìn)入汽車系列生產(chǎn)鋪平道路。IDAM的目標(biāo)是推動“汽車領(lǐng)域增材制造（AM）技術(shù)的工業(yè)化和數(shù)字化”。IDAM的目標(biāo)是建立兩條試驗(yàn)線，一條在GKN的波恩工廠，另一條在寶馬集團(tuán)的慕尼黑工廠。IDAM團(tuán)隊(duì)促使增材制造技術(shù)向符合特定要求的方向發(fā)展，以生產(chǎn)質(zhì)量一致的零部件以及基于特定組件的個別備品備件。目標(biāo)是每年采用3D打印技術(shù)制造至少50000個批量生產(chǎn)的零部件和10000多個備品備件。IDAM生產(chǎn)線包含一個開放式體系結(jié)構(gòu)，可適用于任何LPBF系統(tǒng)（選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)）。
2020年，寶馬投資1500萬歐元（超1億元人民幣）的慕尼黑3D打印工廠正式啟動，這奠定了寶馬集團(tuán)在汽車行業(yè)增材制造技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。
在德國IDAM計劃支持下，寶馬慕尼黑的3D打印工廠還建設(shè)了模塊化和幾乎完全自動化的3D打印生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涵蓋了從數(shù)字化設(shè)計到零部件3D打印制造再到后處理的整個過程。由于生產(chǎn)線的模塊化結(jié)構(gòu)，必要時可以升級換代，所以各個模塊可以適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，還可以靈活地控制工藝步驟。通過綜合考慮融入汽車生產(chǎn)線的要求，項(xiàng)目合作伙伴將流程鏈中的手工部分從目前的約35%減少為不到5%。與此同時，3D打印金屬零部件的單位成本減半。
以上案例說明，目前很多新設(shè)計盡管還沒有進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，仍處于初始階段，但如果制造企業(yè)不盡早做出準(zhǔn)備，并進(jìn)行備品備件及原型的創(chuàng)新，從創(chuàng)新思維的設(shè)計入手，那么這些企業(yè)將被其他企業(yè)超越，并會很快發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)處于競爭劣勢。
顛覆性創(chuàng)新潛力
l 電動機(jī)
新能源汽車領(lǐng)域，尤其值得重視的是3D打印技術(shù)在電動機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
根據(jù)中國機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口商會研究可知，盡管2021年的全球疫情導(dǎo)致了國際海運(yùn)、原材料價格大幅波動，以及電力供應(yīng)緊張等多重困難，但我國電動機(jī)行業(yè)以完整的供應(yīng)鏈、龐大產(chǎn)能、效率與價格優(yōu)勢，仍展現(xiàn)出較強(qiáng)的行業(yè)韌性與活力，電動機(jī)產(chǎn)品出口總額突破200億美元，創(chuàng)歷年新高，取得驕人的成績。
在全球“凈零”目標(biāo)下，電動機(jī)行業(yè)朝節(jié)能減排、綠色方向發(fā)展將是必由之路。2021年，工信部、市場監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布《電機(jī)能效提升計劃（2021—2023年）》，明確提出到2023年高效節(jié)能電動機(jī)產(chǎn)量達(dá)到1.7億kW，在役高效節(jié)能電動機(jī)占比達(dá)到20%以上。擴(kuò)大高效節(jié)能電動機(jī)綠色供給、拓展高效節(jié)能電動機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈、加快高效節(jié)能電動機(jī)推廣應(yīng)用，以及推進(jìn)電動機(jī)系統(tǒng)智能化、數(shù)字化提升，將是“十四五”時期重點(diǎn)工作，其中電動機(jī)能效提升將是大勢所趨。2021年，我國電動機(jī)產(chǎn)品出口最主要的品類依然為中小型電動機(jī)，同時大電動機(jī)、微電動機(jī)、發(fā)電機(jī)組等出口額同比均實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)增長。
無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域，未來的驅(qū)動任務(wù)都對各個組件提出了很高的要求。一方面基于傳統(tǒng)的制造工藝，優(yōu)化的幾何形狀通常是不可能的，結(jié)果是設(shè)計者只能在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動機(jī)的經(jīng)典制造工藝已經(jīng)達(dá)到了極限。另一方面，隨著增材制造技術(shù)日趨成熟，盡管目前與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統(tǒng)在生產(chǎn)具有非常規(guī)拓?fù)鋬?yōu)化（TO-Topology Optimization) 結(jié)構(gòu)或小批量零件時會大放異彩，這為電動機(jī)的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。
新能源汽車所用電動機(jī)包括直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)及開關(guān)磁阻電動機(jī)等。當(dāng)前，永磁同步電動機(jī)系統(tǒng)正在成為新能源汽車的電動機(jī)主流，這類電動機(jī)具有高功率密度、寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢，未來新能源汽車驅(qū)動用電動機(jī)系統(tǒng)正朝著永磁化、數(shù)字化和集成化的方向發(fā)展。
當(dāng)前，世界上的電動機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將大量精力轉(zhuǎn)移到將增材制造系統(tǒng)集成于電動機(jī)生產(chǎn)周期中，以實(shí)施更強(qiáng)大、更高效地拓?fù)鋬?yōu)化下一代電動機(jī)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究結(jié)果，3D打印電動機(jī)似乎只是時間問題。預(yù)測在未來幾年內(nèi)，原型拓?fù)鋬?yōu)化電動機(jī)組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動機(jī)繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。
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與3D打印電動機(jī)繞組相比，當(dāng)前增材制造永磁體的技術(shù)還處于不成熟階段，主要的局限性體現(xiàn)在功率密度低且磁化能力有限。目前，3D打印軟磁鋼的技術(shù)成熟度介于前兩者之間，一方面表現(xiàn)出與傳統(tǒng)無取向鋼相當(dāng)?shù)闹绷鞔判裕涣硪环矫?，在交流?yīng)用中存在高渦流損耗。
到目前為止，3D打印的永磁樣品表現(xiàn)出相對較高的矯頑力：在大多數(shù)研究中達(dá)到 700～800kJ/m。這可歸因于增材制造材料固有的有限顆粒結(jié)構(gòu)和高結(jié)構(gòu)雜質(zhì)含量。除了NdFeB，其他硬磁化合物的3D打印不太常見，包括 ALNiCo、SmCo和鐵氧體磁體的一些實(shí)例[6]。
3D打印永磁樣品存在以下兩方面的技術(shù)挑戰(zhàn)。
1）廣泛采用的基于擠壓的增材制造方法為實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零件幾何形狀提供了較少的機(jī)會。這是由于3D打印后燒結(jié)過程中存在的顯著收縮和機(jī)械不穩(wěn)定性。
2）在打印復(fù)雜形狀的永磁體同時，還必須設(shè)計一種磁化過程，以便在材料上賦予必要的三維磁化圖案。在理想情況下，這個過程將在3D打印中原位進(jìn)行，但由于涉及到強(qiáng)磁場，所以會遇到無數(shù)的技術(shù)挑戰(zhàn)。
新材料的開發(fā)及其通過下一代生產(chǎn)方法進(jìn)行的工業(yè)集成對電動機(jī)的整體性能產(chǎn)生了最顯著的影響。當(dāng)前的材料表現(xiàn)出有限的電磁特性，磁性材料的飽和磁通密度和繞組材料的電導(dǎo)率在過去一個世紀(jì)中一直保持不變，有幸的是，在新型3D打印技術(shù)中已經(jīng)提出了電動機(jī)發(fā)展停滯的可能解決方案。增材制造可以從一個新的角度創(chuàng)造新的電動機(jī)設(shè)計思路，尤其是將拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)用到電動機(jī)的零部件設(shè)計上。
增材制造將在電動機(jī)的設(shè)計中引入了全新的設(shè)計規(guī)則，因?yàn)樵霾闹圃斓某杀九c批量大小以及產(chǎn)品設(shè)計的復(fù)雜性并不相關(guān)，這意味著電動機(jī)的電磁和熱優(yōu)化有更多機(jī)會，因?yàn)榇磐窂胶蛯?dǎo)體可以根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行三維形狀構(gòu)建，并且設(shè)計中集成了更有效的無源或有源熱交換器。
值得注意的是，除了直接采取3D打印技術(shù)來制造電動機(jī)零部件，還可以采取3D打印鑄造模具+鑄造的方式來發(fā)揮3D打印成就更復(fù)雜設(shè)計的價值，3D砂型打印的優(yōu)點(diǎn)是能夠設(shè)計高度復(fù)雜的零件，而無需從頭準(zhǔn)備昂貴的模具。另外，隨著增材制造提供了獨(dú)特設(shè)計的可能性，全新的設(shè)計應(yīng)運(yùn)而生。而對于3D打印砂型的應(yīng)用來說，增材制造允許最終用戶在制造生產(chǎn)模具之前徹底檢查并廣泛測試新設(shè)計的組件，這樣可以節(jié)省大量的前期開模時間和費(fèi)用。
3D 打印電動機(jī)的主要挑戰(zhàn)與3D打印設(shè)備系統(tǒng)的應(yīng)用限制和生產(chǎn)電動機(jī)的技術(shù)要求有關(guān)。3D打印的電動機(jī)零部件必須滿足嚴(yán)格的公差要求，涉及電動機(jī)的材料是用于繞組的導(dǎo)電抗磁材料、軟鐵磁材料等。
對于電動機(jī)領(lǐng)域的增材制造導(dǎo)電材料，首選的研究材料是高純度銅。此外，一些鋁合金（主要是 AlSi10Mg）和銅合金（CuCrZr、CuNiSi、Cu10Zn、CuCr、CuSn0.3）也被應(yīng)用于研究中，但是合金的代價是導(dǎo)電率稍低。
釹基合金是研究最多的3D打印硬磁材料，其中NdFeB 基永磁合金 (PM) 備受關(guān)注，這可能是由于其高磁晶各向異性和鑭系元素原子（例如 Sm、Nd）的異常高磁矩，這意味著即使在磁體中硬磁相的填充因子相對較低的情況下，也可以實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。當(dāng)然還有其他常見的硬磁材料，包括3D打印AlNiCo 和 SmCo 等。
推動3D打印用于新電力驅(qū)動的前沿研究正在形成多個發(fā)展趨勢：第一種趨勢的代表案例是福特攜手亞琛工業(yè)大學(xué)開發(fā)靈活而可持續(xù)的3D打印電動機(jī)零部件，其聚焦點(diǎn)是銅金屬；第二種趨勢的代表案例是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為經(jīng)濟(jì)的打印方式所實(shí)現(xiàn)的新型電動機(jī)零部件的生產(chǎn)，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或粘結(jié)劑噴射金屬3D打?。坏谌N趨勢的代表案例是英國制造技術(shù)中心MTC所致力的完全3D打印的電動機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計；第四種趨勢的代表案例是保時捷與GKN所合作的Connactive 項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計的結(jié)合。
對于電磁材料的增材制造，4種類型的3D打印系統(tǒng)使用最多，包括粉末床熔化金屬3D打印系統(tǒng)（電子束EB-PBF 和激光L-PBF熔化）、粘結(jié)劑噴射金屬3D打印、定向能量沉積 (DED) 金屬3D打印和各種類似的基于擠出的方法，最常見的是熔融沉積建模（FDM）。
越來越可靠的絕緣材料、更有效的電導(dǎo)體和磁導(dǎo)體、新的永磁合金以及具有成本效益的制造和加工方法，這些因素的配合使最終消費(fèi)者可以獲得更強(qiáng)大和更復(fù)雜的電動機(jī)設(shè)計。
如果說電動機(jī)對于新能源汽車的重要性相當(dāng)于發(fā)動機(jī)對于燃油車的重要性，那么電池對新能源汽車的重要性則相當(dāng)于汽油。無疑，另一個值得關(guān)注的3D打印在新能源汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用是3D打印電池。
l 電池
近期內(nèi)3D 打印電池的進(jìn)步表明，未來可能會出現(xiàn)更便宜、能量密度更高的電池，這些電池可以根據(jù)應(yīng)用和形狀進(jìn)行定制。
3D打印電池的想法并不是全新的，實(shí)際上是由哈佛大學(xué) Jennifer A. Lewis 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于 2013 年提出的。他們創(chuàng)造了一個定制的打印機(jī)和特殊的陽極和陰極墨水來生產(chǎn)鋰離子電池，但它只有一粒砂子那么大。
3D打印電池技術(shù)發(fā)展至今，不僅在“大局”上有不同之處，在最小的微米和納米級別上也有所不同。在納米級別，3D打印技術(shù)對電池電極的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了很大影響，這就是能量密度增加的原因。長期以來，“多孔”電極可以提高能量密度，而增材制造非常適合該工藝，這意味著電極中的材料可以構(gòu)建成三維點(diǎn)陣晶格結(jié)構(gòu)。
晶格結(jié)構(gòu)可以為材料內(nèi)部的電解質(zhì)有效傳輸提供通道，就鋰離子電池而言，具有多孔結(jié)構(gòu)的電極可以帶來更高的充電容量，這種結(jié)構(gòu)允許鋰穿透電極體積，導(dǎo)致非常高的電極利用率，從而具有更高的能量存儲容量。在普通電池中，總電極體積的30%～50%未被利用，通過使用 3D 打印克服了這個問題。此外，通過創(chuàng)建微晶格電極結(jié)構(gòu)，允許鋰通過整個電極有效傳輸，這也提高了電池充電率。點(diǎn)陣晶格意味著電極有更多的暴露表面積，從而帶來更高效的電池。
目前，市場上黑石技術(shù)的3D打印工藝具有明顯的優(yōu)勢，包括顯著降低成本，提高電池尺寸的生產(chǎn)靈活性，以及使能量密度提高20%。3D打印使得電池架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀，這是朝著電化學(xué)能量存儲的幾何優(yōu)化配置邁出的重要一步。研究人員估計，這項(xiàng)技術(shù)將在兩三年內(nèi)實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。
結(jié)束語
總體來說，3D打印將為汽車的結(jié)構(gòu)件、電動機(jī)、電池制造等方面帶來一定程度的改變。3D打印技術(shù)進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的局限性包括速度、成形尺寸、成本、質(zhì)量一致性等。未來，3D打印技術(shù)的發(fā)展將突破當(dāng)前局限，邁向更高的速度、更好的過程控制，以及更適合的材料應(yīng)用。隨著3D打印技術(shù)的快速發(fā)展，其為新能源汽車制造帶來的改變將更加令人耳目一新。
來源：3D科學(xué)谷 轉(zhuǎn)載自：3D打印行業(yè)網(wǎng)
參考文獻(xiàn)：
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