根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，從世界范圍來看，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：一種趨勢是福特攜手亞琛工大開發(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；一種趨勢是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)零件，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或binder jetting粘結(jié)劑噴射3D打??；一種趨勢是英國制造技術(shù)中心MTC 完全3D打印的電機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計；最后一種趨勢是Connactive 項(xiàng)目或者保時捷與GKN所合作的項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計的結(jié)合。

▲3D打印銅電機(jī)繞組的技術(shù)邏輯

?3D科學(xué)谷《》

銅的別有洞天

純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于制造航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足需求。3D打印技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，材料利用率高，無需模具等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在制備復(fù)雜功能集成的純銅或銅合金散熱器與熱交換器、尾噴管、電機(jī)繞組等零部件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。 3D科學(xué)谷

▲?D科學(xué)谷

/3D打印電動機(jī)的快速發(fā)展

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，從世界范圍來看，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：一種趨勢是福特攜手亞琛工大開發(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；一種趨勢是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)零件，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或binder jetting粘結(jié)劑噴射3D打?。灰环N趨勢是英國制造技術(shù)中心MTC所致力的完全3D打印的電機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計；最后一種趨勢是Connactive 項(xiàng)目或者保時捷與GKN所合作的項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計的結(jié)合。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，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，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，3D打印帶來的時間節(jié)省尤其是在所謂的發(fā)夾式繞組上得到了回報。本期，3D科學(xué)谷通過對銅在3D打印電動汽車的電動機(jī)定子繞組的最新發(fā)展，與谷友共同來感知3D打印如何成就電動汽車電驅(qū)動關(guān)鍵組件。

電動機(jī)的最大輸出功率由于其預(yù)熱而受到限制，例如由于允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個提高功率限制的杠桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設(shè)計在這里起主要作用，因?yàn)樗侵饕臒嵩础?/p>

經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：銅導(dǎo)體，繞組工藝和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)果是，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。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢。在這方面，市場上熟知的L-PBF選區(qū)激光金屬熔化3D打印技術(shù)以及Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)是目前最為主的應(yīng)用技術(shù)。

▲?exone

其中，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)方面，ExOne與創(chuàng)新電機(jī)公司Maxxwell合作研發(fā)生產(chǎn)電機(jī)銅線圈繞組，改變一百多年來的電機(jī)線圈設(shè)計思路。傳統(tǒng)工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空間內(nèi)很難展現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，3D打印將帶來一定的改變。

▲?D科學(xué)谷《》

l 商業(yè)化3D打印增材制造電動機(jī)定子繞組

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材制造電動機(jī)定子繞組，并有望顯著改善零件性能。

德國Additive Drives公司通過3D打印實(shí)現(xiàn)了更高的自由度，通過基于粉末床的SLM選區(qū)金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從物理上講，這意味著匝的最大橫截面和較小的電阻。而通過3D打印所實(shí)現(xiàn)的可變的形狀還有利于散熱，因?yàn)槊織l電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點(diǎn)。

隨著激光器的發(fā)展，3D打印銅的應(yīng)用走向了良性的發(fā)展趨勢，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節(jié)省了纏繞工具，通過3D打印可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多達(dá)500臺以下的小批量電動機(jī)定子繞組。更低的線束電阻，更少的損耗，更短的繞組頭，所有這些都增加了電動機(jī)的價值。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場了解，3D打印的電動機(jī)定子繞組目前可以承受的電流極限約為1兆瓦，不過對于商業(yè)化前景來說，專注于功率在100 kW左右的功率范圍更為合適，因?yàn)檫@在汽車牽引電機(jī)中很常見。

l 產(chǎn)業(yè)化3D打印增材制造電動機(jī)定子繞組

福特與蒂森克虜伯系統(tǒng)工程，亞琛工業(yè)大學(xué)DAP學(xué)院一起，在一條生產(chǎn)線上開發(fā)靈活而可持續(xù)的電動機(jī)零部件生產(chǎn)。該項(xiàng)目的名稱是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。

3D打印適用于快速的原型制造，能夠?qū)y量結(jié)果實(shí)時反饋到仿真中，從而確保了所需的操作性能并提高了質(zhì)量保證。HaPiPro2項(xiàng)目正在研究如何進(jìn)一步開發(fā)該方法，以便在單個生產(chǎn)線上高效生產(chǎn)不同型號的電動機(jī)。

▲?ACAM亞琛增材制造中心

HaPiPro2項(xiàng)目不僅旨在高效構(gòu)建高效的電動機(jī)，而且還旨在開發(fā)生產(chǎn)中的各種靈活性。ACAM研發(fā)聯(lián)合體成員亞琛工業(yè)大學(xué)把與面向應(yīng)用程序研究有關(guān)的專業(yè)知識帶到整個發(fā)夾的生產(chǎn)過程鏈。亞琛工業(yè)大學(xué)的任務(wù)還包括分析因果關(guān)系以及在生產(chǎn)計劃中測試數(shù)字方法。

福特在2021年2月承諾，到2024年，所有歐洲商用車系列將提供全電動版本或帶插電式混合動力驅(qū)動的版本。福特預(yù)計，到2030年，全電動車型或插電式混合動力汽車將實(shí)現(xiàn)三分之二的商用車銷量。到2026年中，所有歐洲福特乘用車都將提供電動版本，到2030年將完全轉(zhuǎn)換為純電動汽車。

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，福特歐洲首款全電動量油汽車將從2023年起在科隆制造，該公司已投資10億美元新建福特科隆電氣化中心，為過渡到純電動汽車的未來創(chuàng)造了條件。

l 高速、高頻和功率密度的 eDrive 解決方案

根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Connactive 項(xiàng)目成立于 2019 年，該項(xiàng)目致力于實(shí)現(xiàn)高速、高頻和功率密度的 eDrive 解決方案。這種跨公司合作將利用每個成員的不同專業(yè)領(lǐng)域，其結(jié)果將推動現(xiàn)代電動發(fā)動機(jī)的發(fā)展。

目前，H?gan?s 的金屬粉末用于 Connactive 的第一個項(xiàng)目：雙驅(qū)動系統(tǒng)、動力分流行星齒輪組和匹配的 RX II 單元，結(jié)合高扭矩 AX 電機(jī)和高度集成的電子設(shè)備。通過合作伙伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，雙驅(qū)動系統(tǒng)在六個月內(nèi)從藍(lán)圖變?yōu)榕可a(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)原型。

目前，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，該項(xiàng)目的解決性成果預(yù)計這將把電驅(qū)動帶到一個新的水平，并以最低的總成本加速市場引入。

/銅材料

銅材料方面，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，除了純銅，以及CuNi2SiCr 銅合金粉末材料，已投入應(yīng)用的典型3D打印銅合金粉末材料還包括NASA（美國國家航空航天局）開發(fā)的高強(qiáng)度，高導(dǎo)電率的銅基合金GRCop-42， GKN 公司開發(fā)的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司開發(fā)的CuSn10和CuSn8等。

在我國增材制造企業(yè)中，有研粉末新材料股份有限公司在國內(nèi)較早開展了增材制造用銅及銅合金粉末的研究與應(yīng)用，目前已形成較全系列的增材制造專用銅及銅合金粉末產(chǎn)品，包括純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等。

西安鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管；長沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院有限公司等材料企業(yè)進(jìn)行了CuCrZr銅合金3D打印粉末的研發(fā)。