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汽車行業(yè)需要利用3D打印技術(shù)的具體優(yōu)勢(shì)來提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(gè)，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。

1. 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(jì)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(gè)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(shì)而在不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)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(gè)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(dòng)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(shì)，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(dòng)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。

2. 福特

福特在2021年宣布，計(jì)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(shí)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(shí)間。

針對(duì)3D打印下一代電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)更易于自動(dòng)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(shí)間。

電動(dòng)汽車的電動(dòng)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(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對(duì)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(shí)間節(jié)省，尤其是在所謂的發(fā)夾繞組上得到了回報(bào)。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，市場(chǎng)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(dòng)機(jī)銅線圈繞組，改變一百多年來的電動(dòng)機(jī)線圈設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電動(dòng)機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空間內(nèi)很難展現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，而3D打印將帶來一定的改變。

3. 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(dòng)會(huì)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(dòng)“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(gè)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(gè)批量生產(chǎn)的零部件和10000多個(gè)備品備件。IDAM試生產(chǎn)線包含一個(gè)開放式體系結(jié)構(gòu)，可適用于任何LPBF系統(tǒng)（選區(qū)激光金屬熔化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(dòng)，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(guó)IDAM計(jì)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(dòng)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(jì)到零部件3D打印制造再到后處理的整個(gè)過程。由于生產(chǎn)線的模塊化結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可以升級(jí)換代，所以各個(gè)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)目合作伙伴計(jì)劃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(shí)，3D打印金屬零部件的單位成本應(yīng)該減半。

以上案例說明，目前很多新設(shè)計(jì)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(jì)入手，那么這些企業(yè)將被其他企業(yè)超越，并會(huì)很快發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。

4. 結(jié)語

新能源汽車所用電動(dòng)機(jī)包括直流電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電動(dòng)機(jī)、永磁同步電動(dòng)機(jī)及開關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)等。當(dāng)前，永磁同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)正在成為新能源汽車的電動(dòng)機(jī)主流，這類電動(dòng)機(jī)具有高功率密度、寬調(diào)速范圍等優(yōu)勢(shì)，未來新能源汽車驅(qū)動(dòng)用電動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究結(jié)果，3D打印電動(dòng)機(jī)似乎只是時(shí)間問題。預(yù)測(cè)在未來幾年內(nèi)，原型拓?fù)鋬?yōu)化電動(dòng)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(dòng)機(jī)繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。