汽車(chē)行業(yè)需要利用3D打印技術(shù)的具體優(yōu)勢來(lái)提升產(chǎn)品設計，然而要想將3D打印用于具體的汽車(chē)零部件生產(chǎn)，需要突破的一大挑戰是經(jīng)濟性。目前，用于3D打印的汽車(chē)零部件大多數是小批量的十幾個(gè)，要增加到汽車(chē)行業(yè)普遍所需要的高達100萬(wàn)的產(chǎn)量，3D打印必須要突破經(jīng)濟性的障礙。下面將通過(guò)介紹3D打印技術(shù)在大眾、福特、寶馬等企業(yè)的最新應用進(jìn)展。

1. 大眾

大眾在2019年就發(fā)布了將在大眾汽車(chē)上使用惠普金屬3D打印技術(shù)的計劃，首先是進(jìn)行大規模定制和裝飾部件的制造，并盡快將惠普的HP Metal Jet金屬3D打印的結構部件集成到下一代車(chē)輛中，并著(zhù)眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

大眾的目標是每年制造5～10萬(wàn)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)勢而在不斷增長(cháng)的電動(dòng)汽車(chē)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 打印的獨特概念車(chē)，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(jiàn)圖1）。正是這一里程碑為大眾與惠普繼續合作，并為大眾的3D打印結構部件集成到其下一代汽車(chē)中鋪平了道路。

圖1 HP Metal Jet 技術(shù)生產(chǎn)的汽車(chē)零部件

金屬粘結劑噴射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。為了利用粘結劑噴射的優(yōu)勢，大眾正在擴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(mén)子為該技術(shù)提供專(zhuān)門(mén)的軟件。

通過(guò)西門(mén)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(lái)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)零部件。到目前為止，使用粘結劑噴射制造的第一批汽車(chē)零部件已送往大眾的奧斯納布呂克工廠(chǎng)進(jìn)行認證。該零件用于大眾T-Roc敞篷車(chē)的 A 柱，據相關(guān)資料顯示，其重量是由鋼板制成的傳統部件的一半。

2. 福特

福特在2021年宣布，計劃在規?；?chē)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(guò)當時(shí)僅涉及較低的產(chǎn)量。但福特現在的技術(shù)遠不止于小批量的3D打印生產(chǎn)應用，其正在開(kāi)發(fā)的3D打印零部件將用于福特“非常受歡迎的車(chē)型”的全面生產(chǎn)。

福特用于粘結劑噴射金屬3D打印的粉末是Al6061，而成功將鋁應用于汽車(chē)零部件3D打印生產(chǎn)的意義是重大的：從傳統制造工藝到3D打印工藝的轉變將通過(guò)簡(jiǎn)化設計來(lái)減輕重量、節省空間、提高零部件性能，以及節省成本和時(shí)間。

針對3D打印下一代電動(dòng)機，福特還與蒂森克虜伯、亞琛工業(yè)大學(xué)組成聯(lián)盟開(kāi)始了一項研究，以開(kāi)發(fā)下一代電動(dòng)汽車(chē)靈活、可持續的生產(chǎn)工藝。目前，開(kāi)發(fā)的項目名稱(chēng)是HaPiPro2，指的是發(fā)夾技術(shù)。發(fā)夾繞組是電動(dòng)機領(lǐng)域中的一項新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線(xiàn)。該過(guò)程比傳統的繞線(xiàn)電動(dòng)機更易于自動(dòng)化，并且在汽車(chē)領(lǐng)域特別受歡迎，因為它可以大大縮短制造時(shí)間。

電動(dòng)汽車(chē)的電動(dòng)機定子繞組的開(kāi)發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，經(jīng)典的圓線(xiàn)繞組有許多限制：銅導體、繞組工藝與槽口幾何形狀必須匹配；彼此纏繞的導體形成牢固的圖案；此外，圓形導線(xiàn)（經(jīng)典的導體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳，結果每個(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導體橫截面可確保較大的電熱損耗。

3D打印幾乎無(wú)需模具就可以避免這種開(kāi)發(fā)障礙。由于傳統的生產(chǎn)涉及復雜的彎曲和焊接過(guò)程，所以3D打印帶來(lái)的時(shí)間節省，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特的優(yōu)勢。目前，市場(chǎng)上熟知的L-PBF選區激光金屬熔化3D打印，以及粘結劑噴射金屬3D打印，均是最為主要的應用技術(shù)。

通過(guò)3D打印電動(dòng)機銅線(xiàn)圈繞組，改變一百多年來(lái)的電動(dòng)機線(xiàn)圈設計思路。傳統工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電動(dòng)機定子、轉子空間內很難展現最優(yōu)設計，而3D打印將帶來(lái)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)合項目啟動(dòng)會(huì )議，旨在為增材制造業(yè)進(jìn)入汽車(chē)系列生產(chǎn)鋪平道路。IDAM的目標是推動(dòng)“汽車(chē)領(lǐng)域增材制造（AM）技術(shù)的工業(yè)化和數字化”。IDAM的目標是建立兩條試驗線(xiàn)，一條在GKN的波恩工廠(chǎng)，另一條在寶馬集團的慕尼黑工廠(chǎng)。IDAM團隊促使增材制造技術(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(xiàn)包含一個(gè)開(kāi)放式體系結構，可適用于任何LPBF系統（選區激光金屬熔化3D打印技術(shù)）。

2020年，寶馬投資1500萬(wàn)歐元（超1億元人民幣）的慕尼黑3D打印工廠(chǎng)正式啟動(dòng)，這奠定了寶馬集團在汽車(chē)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(chǎng)還建設了模塊化和幾乎完全自動(dòng)化的3D打印生產(chǎn)線(xiàn)。該生產(chǎn)線(xiàn)涵蓋了從數字化設計到零部件3D打印制造再到后處理的整個(gè)過(guò)程。由于生產(chǎn)線(xiàn)的模塊化結構，必要時(shí)可以升級換代，所以各個(gè)模塊可以適應不同的生產(chǎn)要求，還可以靈活地控制工藝步驟。通過(guò)綜合考慮融入汽車(chē)生產(chǎn)線(xiàn)的要求，項目合作伙伴計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該減半。

以上案例說(shuō)明，目前很多新設計盡管還沒(méi)有進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化，仍處于初始階段，但如果制造企業(yè)不盡早做出準備，并進(jìn)行備品備件及原型的創(chuàng )新，從創(chuàng )新思維的設計入手，那么這些企業(yè)將被其他企業(yè)超越，并會(huì )很快發(fā)現自己已經(jīng)處于競爭劣勢。

4. 結語(yǔ)

新能源汽車(chē)所用電動(dòng)機包括直流電動(dòng)機、感應電動(dòng)機、永磁同步電動(dòng)機及開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機等。當前，永磁同步電動(dòng)機系統正在成為新能源汽車(chē)的電動(dòng)機主流，這類(lèi)電動(dòng)機具有高功率密度、寬調速范圍等優(yōu)勢，未來(lái)新能源汽車(chē)驅動(dòng)用電動(dòng)機系統正朝著(zhù)永磁化、數字化和集成化的方向發(fā)展。

當前，世界上的電動(dòng)機研發(fā)團隊已將大量精力轉移到將增材制造系統集成于電動(dòng)機生產(chǎn)周期中，以實(shí)施更強大、更高效地拓撲優(yōu)化下一代電動(dòng)機。根據3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究結果，3D打印電動(dòng)機似乎只是時(shí)間問(wèn)題。預測在未來(lái)幾年內，原型拓撲優(yōu)化電動(dòng)機組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動(dòng)機繞組、熱交換器和同步轉子上。