新能源汽车制造业发展前景(新能源汽车制造技术在当前形势)

新能源汽车的生态系统是开放的、变化的、动态的。传统汽车从设计到新车交付一般需要三年时间。在此期间，这些零件的生产流程和供应链已经进入固化状态。对于特斯拉这样的车企来说，他们的软件几乎每个月都会更新。数字化基因可以说根植于造车新势力的血液中。
3D打印带来的数字化使人类第一次产生了真正的净经济收入门槛：通过客户行为与生产者行为同步，以需求为导向，从生产过剩转向需求驱动生产。
3D打印是一项具有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产模式是必不可少的，它不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造，这使得3D打印和新能源汽车在制造基因上有着“天然的契合”。
论文发表于《金属加工（热加工）》
2022年第7期
当前技术发展
据ACAM亚琛增材制造中心介绍，ACAM亚琛增材制造中心(以下简称ACAM亚琛中心)在多功能材料方面对增材制造的愿景是材料与技术的无限结合，最终目标是点击生产。ACAM亚琛中心定义，实现这一愿景的先进工艺包括五个梯度，0级为功能增材制造工艺；1级是可预测的增材制造工艺；2级是自动化增材制造过程；三级是全自动化增材制造(包括前处理和后处理)；第4级是集成和完全自动化的不同制造过程的组合[1]。目前世界上增材制造的发展大多处于0级。
汽车生产需要自动化程度高、效率高、成本低、质量一致，这与目前3D打印的发展水平似乎有很多“差距”。因此，需要结合3D打印技术的特点来了解3D打印在汽车制造中的发展现状和未来趋势。
ACAM亚琛增材制造中心表示，一方面，3D打印改变了制造逻辑。一般来说，对于同样的产品，传统制造技术生产的数量越多，每件产品的成本越低。至于增材制造，单件成本和产量的相关性是独立的，这是考虑可扩展性时要考虑的因素。另一方面，关于产品的复杂程度。通常采用传统制造技术生产零件时，产品越复杂，成本越高，企业需要昂贵的投入(包括新的模具甚至新的设备来实现)；对于增材制造来说，零件的复杂程度与成本的相关性是独立的，零件几何形状的复杂程度通常不会带来额外的制造成本。
对于汽车来说，虽然汽车生产趋向于更小批量，但目前3D打印技术与汽车的结合并不是3D打印技术的成本与产量的相关性是独立的，而是3D打印技术制造出更复杂的产品。
3D科学谷白皮书
在降低金属3D打印领域的零部件成本方面，以胶接喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印技术，以其高速度、低成本的特点，一直备受业界关注。大众采用的惠普金属3D打印技术是粘合剂喷射金属3D打印技术。
喷涂金属的3D打印技术从生产效率和经济性的角度完全满足汽车大批量生产的应用需求。各种可印刷材料(从金属到陶瓷、金属到金属的复合材料、陶瓷到金属的复合材料等。)进一步拓展了喷胶金属3D打印技术的应用场景[2]。
除了汽车上使用的铝合金和铜合金，目前适用于粘结金属3D打印技术的钢材包括：17-4PH不锈钢、304L不锈钢、316L不锈钢、M2工具钢、H13工具钢，以及正在开发的4140不锈钢、420不锈钢、4340不锈钢、4605不锈钢等材料[3]。
此外，塑料3D打印和碳纤维复合3D打印发展迅速，丰富了汽车3D打印的技术选择。
企业应用
汽车行业需要利用3D打印技术的特定优势来改进产品设计。但是，如果要将3D打印用于特定汽车零部件的生产，需要突破的一大挑战就是经济性。目前大部分用于3D打印的汽车零部件都是小批量十几个。要提高汽车行业普遍要求的高达100万的产量，3D打印必须突破经济壁垒。
以下将介绍3D打印技术在大众、福特、宝马等企业的最新应用进展，探讨3D打印技术在新能源汽车领域的应用现状和发展趋势。
l大众
2019年，大众宣布计划在大众汽车上使用惠普金属3D打印技术，首先大规模定制和制造装饰部件，并尽快将惠普金属喷射3D打印结构部件集成到下一代车辆中，着眼于增加部件尺寸和技术要求。
大众的目标是每年制造5万到10万个足球大小的零件，可能包括换挡杆和后视镜支架。增材制造因其在轻量化方面的优势，已被部署在日益增长的电动汽车生产领域。目前，大众已经建立了加州创新和工程中心(IECC)，推出了集成3D打印的独特概念车，并很快宣布与GKN和惠普一起在惠普金属喷射上生产了1万个金属零件(见图1)。正是这个里程碑为大众汽车继续与惠普合作铺平了道路，也为大众汽车的3D打印结构部件集成到其下一代汽车中铺平了道路[4]。
图1惠普金属喷射技术生产的汽车零部件
金属粘合剂喷射3D打印技术将促进3D打印技术在大规模制造中的成熟，从而使这种技术具有成本效益。为了利用粘合剂喷涂的优势，大众汽车正在扩大与惠普的合作伙伴关系，以布局更多的产能，并引入西门子为这项技术提供专门的软件。
通过西门子自动化和软件解决方案，大众将能够以更少的资源更快、更灵活地开发和生产零部件。到目前为止，第一批通过粘合剂注射制造的汽车零部件已经被送往大众汽车的Osnabruck工厂进行认证。该零件用于大众T-Roc敞篷车的a柱。据相关资料显示，其重量是传统钢板制零件的一半。
l福特
福特在2021年宣布，计划在大规模汽车制造中采用3D打印技术。福特之前在3D打印技术上已经取得了一定程度的成功，但当时只涉及产量较低。但福特目前的技术远不止小批量3D打印生产应用，其正在开发的3D打印零件将用于福特“非常受欢迎的车型”的全面生产。
福特喷胶金属3D打印使用的粉末是Al6061，成功将铝应用于汽车零部件的3D打印生产意义重大：从传统制造工艺到3D打印工艺的转变将通过简化设计来减轻重量、节省空间、提高零件性能、节约成本和时间。
对于下一代3D打印汽车，福特还与蒂森克虏伯和亚琛工业大学结成联盟，开始研究为下一代电动汽车开发灵活和可持续的生产流程。目前开发的项目名称为HaPiPro2，指发夹技术。发卡式绕组是电机领域的一项新技术。矩形铜条代替了缠绕铜线。这种工艺比传统的绕线电机更容易自动化，在汽车领域尤其受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。
电动汽车用电机定子绕组的发展通常是一个众所周知的瓶颈，经典的圆形绕组有很多局限性：铜导体、绕组工艺和槽口几何形状必须匹配；相互缠绕的导体形成牢固的图案；此外，圆形导线(经典的导体形状)在几何形状上与梯形凹槽不太匹配，结果是每个凹槽都用铜填充了一半，从而形成了间隙。相对较小的导体横截面可以确保较大的电加热损失。
3D打印几乎不用模具就可以避免这种发展障碍。由于传统生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，3D打印带来的时间节省，特别是在所谓的发夹缠绕上，已经得到了回报。
使铜的填充率更高，3D打印在这方面有独特的优势。目前，众所周知的L-PBF选择性激光金属熔化3D打印和粘合剂喷射金属3D打印是最重要的应用技术。
通过3D打印电机的铜线圈绕组，改变了一百多年来电机线圈的设计思路。传统的铜丝或铜片很难在电机定子和转子狭小的空间里表现出最优的设计，但3D打印会带来一些改变。
l宝马
宝马于2019年3月在慕尼黑举行IDAM联合项目启动会，旨在为增材制造业进入汽车系列生产铺路。IDAM的目标是促进“汽车领域增材制造(AM)技术的产业化和数字化”。IDAM的目标是建立两条测试线，一条在GKN波恩工厂，另一条在宝马集团慕尼黑工厂。IDAM团队推动增材制造技术的发展，以满足特定的要求，从而生产出质量一致的零件和基于特定组件的个性化备件。目标是使用3D打印技术每年制造至少5万个量产零件和1万多个备件。IDAM生产线包含开放式架构，可应用于任何LPBF系统(选区激光金属熔化3D打印技术)[5]。
2020年，宝马在慕尼黑3D打印工厂投资1500万欧元(超过1亿元人民币)，奠定了宝马集团在汽车行业增材制造技术的领先地位。
在德国IDAM计划的支持下，宝马慕尼黑的3D打印工厂也建成了模块化的、几乎全自动化的3D打印生产线。生产线覆盖了从零部件的数字化设计到3D打印制造，再到后期加工的全过程。由于生产线的模块化结构，必要时可以升级，因此每个模块可以适应不同的生产要求，灵活控制工艺步骤。通过综合考虑融入汽车生产线的要求，项目合作伙伴将工艺链的手工部分从目前的35%左右减少到5%以下。同时，3D打印金属零件的单位成本减半。
以上案例说明，很多新设计虽然还没有进入产业化，但还处于起步阶段。但是，如果制造企业不做好前期准备，不创新零配件和样机，不从创新思维设计入手，那么这些企业就会被其他企业超越，很快就会发现自己处于竞争劣势。
颠覆性创新潜力
l电机
在新能源汽车领域，尤其值得关注的是3D打印技术在电机领域的应用潜力。
根据中国机电产品进出口商会的研究，尽管2021年全球疫情造成国际海运、原材料价格大幅波动、电力供应紧张等诸多困难，但中国电机行业凭借其完整的供应链、巨大的产能、效率和价格优势，仍表现出强大的行业韧性和活力。汽车产品出口总额突破200亿美元，创历史新高，成绩斐然。
在全球“净零”目标下，将是电机行业向节能减排、绿色发展的必由之路。2021年，工信部和市场监管总局联合发布《电机能效提升计划（2021—2023年）》，明确提出到2023年，高效节能电机产量达到1.7亿千瓦，在役高效节能电机占比达到20%以上。扩大高效节能电机的绿色供给，拓展高效节能电机的产业链，加快高效节能电机的推广应用，推进电机系统的智能化和数字化，将是“十四五”期间的重点工作，其中电机能效的提高将是大势所趋。2021年，中国电机产品出口的最主要类别仍然是中小型电机，而大型电机、微型电机和发电机的出口
无论在工业领域还是交通领域，未来的驾驶任务对各个部件都提出了很高的要求。一方面，基于传统的制造工艺，通常无法优化几何形状。因此，设计师只能在性能和效率上做出痛苦的妥协。从某种意义上说，马达的经典制造工艺已经达到了极限。另一方面，随着增材制造技术的日益成熟，虽然速度比传统生产方式慢，可靠性低，但增材制造系统在生产TO-拓扑优化结构或小批量零件时会大放异彩，为电机制造开辟了另一条曲折的道路。
新能源汽车使用的电机包括DC电机、感应电机、永磁同步电机和开关磁阻电机。目前，永磁同步电机(PMSM)系统正在成为新能源汽车电机的主流。这种电机具有功率密度高、调速范围宽的优点。未来驱动新能源汽车的电机系统正在向永磁化、数字化、集成化方向发展。
目前，汽车研发；世界各地的研发团队已经将大量精力转移到将增材制造系统整合到电机生产周期中，以实现下一代电机更强大、更高效的拓扑优化。根据3D科学谷的市场调研结果，3D打印电机似乎只是时间问题。据预测，在未来几年内，原型拓扑优化电机组件的3D打印将大幅增加，很可能集中在3D打印电机绕组、热交换器和同步转子上。
3D科学谷白皮书
与3D打印电机绕组相比，目前使用添加剂制造永磁体的技术仍处于不成熟阶段，主要限制是功率密度低和磁化有限。目前3D打印软磁钢的技术成熟度介于前两者之间，一方面表现出与传统无取向钢相当的DC磁性；另一方面，在交流应用中存在高涡流损耗。
到目前为止，3D打印永磁体样品表现出相对较高的矫顽力：在大多数研究中为700 ~ 800 kJ/m。这可归因于添加制造材料中固有的有限颗粒结构和高含量的结构杂质。除了钕铁硼，其他硬磁化合物的3D打印不太常见，包括铝镍钴、SmCo和铁氧体磁体的一些例子[6]。
3D打印永磁体样品有两个技术挑战。
1)广泛采用的基于挤压的添加制造方法为实现复杂零件的几何形状提供了较少的机会。这是由于3D打印后烧结过程中的显著收缩和机械不稳定性。
2)在印刷具有复杂形状的永磁体时，还必须设计磁化过程，以便赋予材料必要的三维磁化图案。理想情况下，这一过程将在3D打印中原位进行，但由于涉及到强磁场，它将遇到众多技术挑战。
新材料的开发及其通过下一代生产方法的工业整合对电机的整体性能有着最重要的影响。目前的材料表现出有限的电磁特性，磁性材料的饱和磁通密度和绕组材料的电导率在过去的一个世纪里保持不变。幸运的是，新的3D打印技术提出了一种可能解决电机发展停滞的方法。增材制造可以从新的角度创造新的电机设计思路，尤其是将拓扑优化应用于电机零部件设计。
增材制造将在电机的设计中引入全新的设计规则，因为增材制造的成本与批量大小和产品设计的复杂程度无关，这意味着电机的电磁和热优化有更多的机会，因为可以根据设计要求三维构造磁通路径和导体，在设计中集成更有效的无源或有源热交换器。
值得注意的是，除了直接采用3D打印技术制造电机零部件，3D打印实现更复杂设计的价值也可以通过3D打印铸造模具来发挥。3D砂印的优势在于，它可以设计高度复杂的零件，而不必从头开始准备昂贵的模具。此外，随着增材制造提供了独特设计的可能性，全新的设计应运而生。对于3D打印砂型的应用，增材制造允许最终用户在制造生产模具之前，对新设计的部件进行彻底的检查和广泛的测试，可以节省大量的开模时间和前期成本。
3D打印电机的主要挑战与3D打印设备系统的应用限制和生产电机的技术要求有关。3D打印的电机零件必须满足严格的公差要求。电机涉及的材料有导电抗磁性材料、软铁磁材料等。用于绕组。
为了在马达领域通过添加剂制造导电材料，优选的研究材料是高纯度铜。此外，一些铝合金(主要是AlSi10Mg)和铜合金(CuCrZr，CuNiSi，Cu10Zn，CuCr，CuSn0.3)也在研究中使用，但合金的成本略低电导率。
钕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)备受关注，这可能是由于其高磁晶各向异性和镧系原子(如Sm、Nd)异常高的磁矩，这意味着即使磁体中硬磁相的填充因子相对较低，也可以实现较高的功率密度。当然，还有其他常见的硬磁材料，包括3D打印的铝镍钴和SmCo等。
推动新型电驱动3D打印的前沿研究正在形成多种发展趋势：第一种趋势的代表案例是福特与亚琛工业大学合作开发柔性、可持续的3D打印电机零部件，其重点是铜金属；第二种趋势的代表案例是弗劳恩霍夫IFAM公司或exone公司通过更经济的打印来生产新的电机零件，其重点是丝网印刷或粘合剂喷射金属3D打印；第三种趋势的代表案例是英国制造技术中心MTC专用的全3D打印电机，其重点是产品再设计；第四种趋势的代表案例是保时捷和GKN的合作项目，该项目注重新材料和新设计的结合。
对于电磁材料的添加制造，四种类型的3D打印系统是最常用的，包括粉末床熔融金属3D打印系统(电子束EB-PBF和激光L-PBF熔化)、粘合剂喷射金属3D打印、定向能量沉积(DED)金属3D打印和各种类似的基于挤压的方法，其中最常用的是熔融沉积建模(FDM)。
越来越可靠的绝缘材料、效率更高的电导体和磁性导体、新型永磁合金以及具有成本效益的制造和加工方法。这些因素的结合使得最终消费者能够获得更强大和更复杂的电机设计。
如果说电机对于新能源汽车的重要性不亚于发动机对于燃油汽车的重要性，那么电池对于新能源汽车的重要性不亚于汽油。毫无疑问，3D打印在新能源汽车制造领域的另一个值得关注的应用是3D打印电池。
l电池
3D打印电池的最新进展表明，未来可能会出现更便宜、能量密度更高的电池。这些电池可以根据应用和形状定制。
3D打印电池的想法并不是全新的。事实上，它是由哈佛大学的詹妮弗刘易斯(Jennifer A. Lewis)领导的团队在2013年提出的。他们创造了一种定制打印机和特殊的阳极和阴极墨水来生产锂离子电池，但它只有一粒沙子的大小。
到目前为止，3D打印电池技术不仅在“大画面”上有所不同，在最小的微米和纳米级别上也有所不同。在纳米级别，3D打印技术对电池电极的结构有很大的影响，这也是能量密度增加的原因。长期以来，“多孔”电极可以提高能量密度，增材制造非常适合这种工艺，这意味着电极中的材料可以构建成三维晶格结构。
晶格可以为电解质在材料内部的有效传输提供通道。就锂离子电池而言，多孔结构的电极可以带来更高的充电容量。这种结构允许锂渗透电极体积，导致非常高的电极利用率，从而具有更高的储能容量。在普通电池中，总电极体积的30% ~ 50%未被利用。这个问题可以通过使用3D打印来解决。此外，通过创建微晶晶格电极结构，锂可以有效地通过整个电极传输，这也提高了电池充电速率。晶格意味着电极有更多的暴露表面积，这导致更有效的电池。
目前市场上黑石技术的3D打印工艺优势明显，包括大幅降低成本，提高电池尺寸的生产灵活性，能量密度提高20%。3D打印使电池架构能够实现复杂的几何形状，这是朝着电化学储能的几何优化配置迈出的重要一步。研究人员估计，这项技术将在两三年内应用于工业。
结束语
总的来说，3D打印会给汽车结构件、电机、电池制造带来一些改变。3D打印技术在产业化领域的局限性包括速度、成型尺寸、成本、质量一致性等等。未来，3D打印技术的发展将突破目前的局限，走向更高的速度、更好的过程控制和更适合的材料应用。随着3D打印技术的快速发展，它给新能源汽车制造带来的改变将更加令人耳目一新。
参考资料：[1] 3D科学谷。洞察3D打印未来发展的关键要素。增材制造是如何对制造业产生深远影响的？[EB/OL]。(2022-05-08)。
[2] 3D科学谷。陶瓷、复合材料、深透视喷胶3D打印技术的材料开发与应用。[EB/OL]。www.3dsiciencevalley.com/p=25351。
[3] 3D科学谷。深透视金属粘结剂喷射金属3D打印材料及应用开发[EB/OL]。www.3dsiciencevalley.com/p=25277。
[4]惠普。大众凭借HP Metal Jet[EB/OL]在量产之旅中达到关键里程碑。(2019-11-06). https://press . HP . com/us/en/press-releases/2019/Volkswagen-hits-key-milestone-in-journey-to-mass-production-with-HP-metal-jet . html
[5] GKN。BMBF研究项目IDAM:网络将金属3D打印纳入汽车系列生产的轨道[EB/OL]。(2019-04-17)https://www . gknpm . com/en/news-and-media/news-releases/2019/bmbf-research-project-idam-network-puts-metallic-3d-printing-on-track-for-automotive-series-production/。
[6] HANS T，等.用于拓扑优化电机的附加制造电磁材料的技术现状[J].增材制造，2022，55:102778。
知之深，行之远。基于制造业专家和智库的全球网络，3D科学谷从全球视角为行业提供了对增材和智能制造的深入观察。更多增材制造领域的分析，请关注3D科学谷发布的系列白皮书。
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