全球“凈零”目標下，電動機行業(yè)朝節(jié)能減排、綠色方向發(fā)展將是必由之路。而3D打印電動機極有可能成為3D打印技術在汽車產業(yè)中的重要應用。

近20年來，增材制造技術取得了快速發(fā)展，在消費電子、汽車、航空航天、醫(yī)療健康等領域廣泛應用。在汽車產業(yè)領域，從3D打印模型到定制化小規(guī)模生產運行，3D打印技術主要應用在整車OEM公司的生產設計上。3D打印技術在汽車領域是否還有更廣闊的發(fā)展空間？需要我們來進一步“挖一挖”。

3D打印在設計領域應用廣泛

?汽車制造是金屬3D打印技術重要的應用領域。運用3D打印技術，汽車設計師可以快速制造原型，加快新車研發(fā)效率；小批量零件生產，則可以縮短供應鏈并節(jié)省成本，3D打印可謂是汽車行業(yè)重要的補充技術。

除此之外，3D打印所特有的復雜零件制造優(yōu)勢，更可以簡化汽車零件數(shù)量、降低重量，并節(jié)省材料。 在設計方面，利用3D打印技術，設計師可以在數(shù)小時或數(shù)天內制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性，汽車廠商可以應用于汽車外形設計的研發(fā)。相較傳統(tǒng)的手工制作油泥模型，3D打印能更精確地將3D設計圖轉換成實物，而且時間更短，提高汽車設計層面的生產效率。

目前許多廠商已經(jīng)在設計方面開始利用3D打印技術，比如寶馬、奔馳設計中心。 在材料方面，3D打印允許多樣的材料選擇。不同的機械性能以及精準的功能性原型制作，讓制造商在前期可以隨時修正錯誤并完善設計，使得錯誤成本最小化。

在工裝夾具方面，3D打印技術提供了一種快速準確的方法，大幅降低了工具生產的成本和時間。因而，汽車制造商迅速在產能、效率和質量上都得到提升。針對生產工具，例如水溶型內芯、碳纖維包裹、注塑成型等3D打印的應用，可以幫助企業(yè)實現(xiàn)快速小批量工具定制、降低成本并縮短產品上市時間。

特別是在汽車零部件設計生產過程中，借助3D打印技術，廠商能夠實現(xiàn)小批量定制部件和生產自動化，并且可以實現(xiàn)有機形狀、中空和負拉伸等復雜幾何形狀的創(chuàng)建和制造。3D打印能夠快速制作造型復雜的零部件，且當測試出現(xiàn)問題時，修改3D文件重新打印即可再次測試。 知名市場咨詢機構Frost & Sullivan最近發(fā)布的一份相關調查報告顯示，隨著3D打印技術在汽車工業(yè)中的應用迅速增加，預測汽車3D打印的市場規(guī)模有望于2025年達到43億美元。

實戰(zhàn)！它們如何駕馭3D打印

汽車行業(yè)是3D打印技術最早的應用領域之一，近年來，許多前沿汽車制造企業(yè)已經(jīng)將3D打印技術應用于汽車研發(fā)過程。

早在2005年，一汽-大眾便引進了FDM、SLA和SLS 3D三種主流打印技術。從最早的3D Systems iPro8000 SLA光敏樹脂設備，到后來的Stratasys FDM Fotus 450以及湖南華曙的SS402P SLS設備，一汽-大眾將其應用于所有新車研發(fā)中，制作3D打印原型件、展示件、試驗零件等，如今每年3D打印汽車零部件達5000件左右。

據(jù)一汽-大眾高級工程師吳宏濤介紹，與傳統(tǒng)注塑工藝及其他3D打印技術相比起來，采用SLS技術制作的樣件具有良好的強度和優(yōu)異的抗沖擊性能，并且可以快速、便捷地修改設計方案并反復大量迭代，在確保原型產品設計質量的同時，大大縮短了產品設計和原型開發(fā)所需的時間，提高了研發(fā)效率。

英國知名工業(yè)設計工作室Vital Auto，曾服務于沃爾沃、日產、蓮花、邁凱倫、吉利、TATA等汽車制造商。以車型設計為例，之前其為客戶設計及制作一款汽車油泥模型，一般采用手工粘土和銑削零件等傳統(tǒng)工藝，需要5-30人的團隊歷經(jīng)3-12個月的時間、十幾次修改重塑。

為此，Vital Auto 3D打印部門引入多臺Formlabs的打印機。3D打印機的快速修改及全天候運營，不僅提高了設計工作室的工作效率，更降低了成本，同時還為客戶提供了多樣化的設計創(chuàng)意。 美國汽車巨頭通用汽車認為，3D打印領域具有巨大的應用價值，應該加緊利用。

目前通用汽車主要將3D技術應用在工廠模具和固定裝置生產上。據(jù)介紹，通用汽車已經(jīng)很好地掌握了3D打印作為原型設計工具的能力，許多部件都是在各種測試環(huán)境中用于預生產車輛的功能模型。 據(jù)悉，通用汽車已經(jīng)成功解決了早期工具成本費用昂貴以及零件快速迭代的問題。

在雪佛蘭克爾維特的制動冷卻管道開發(fā)過程中，該公司利用增材制造技術將時間縮短了9周，成本降低60%。 除了上述公司外，福特、寶馬、蘭博基尼、保時捷、本田、克萊斯勒、奔馳、奧迪等幾乎所有的整車廠都在持續(xù)探索3D打印帶來的無限可能。

另一個未來：3D打印電動機

雖然3D打印技術在汽車行業(yè)設計領域具有較大優(yōu)勢，但該技術到目前為止并未在汽車批量化制造領域得到廣泛應用。這是因為，汽車生產需要高度的自動化、高效率、低成本、質量一致性，這似乎與3D打印當前的發(fā)展水平存在不少“鴻溝”。 業(yè)內人士分析指出，目前3D打印技術在汽車領域主要面對的瓶頸包括多個方面。 一是受限于機器尺寸，粉末床金屬熔融技術當前普遍限制在400毫米或者在600毫米，很難打印大的零部件；二是在準確性方面，增材制造需要能夠以最小的后處理需求來創(chuàng)建精確的零件；三是效率問題：目前增材制造對于汽車生產來說仍太慢，沖壓機每六秒鐘可生產一個零件，而粉末床金屬熔融技術則需要幾個小時才能生產一批小零件；四是成本問題：作為高產量、高質量產業(yè)，汽車對生產制造成本要求較高，雖然增材制造可以將許多零件組合在一起一次完成，但鑄造相較增材制造幾乎可以便宜兩個數(shù)量級。

3D打印技術如何在汽車領域進一步突破？3D打印電動機可能是個不錯的選擇。

業(yè)內人士指出，在全球“凈零”目標下，擴大高效節(jié)能電動機綠色供給、拓展高效節(jié)能電動機產業(yè)鏈、加快高效節(jié)能電動機推廣應用，以及推進電動機系統(tǒng)智能化、數(shù)字化提升，將是“十四五”時期重點工作，其中電動機能效提升將是大勢所趨，而3D打印電動機極有可能成為3D打印在汽車產業(yè)中的重要應用技術。 無論是在工業(yè)領域還是交通領域，未來的驅動任務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，結果是設計者只能在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動機的經(jīng)典制造工藝已經(jīng)達到了極限。 另一方面，隨著增材制造技術日趨成熟，盡管目前與傳統(tǒng)生產方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統(tǒng)在生產具有非常規(guī)拓撲優(yōu)化（TO-Topology Optimization)結構或小批量零件時會大放異彩，這為電動機的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。


當前，世界上的電動機研發(fā)團隊已將大量精力轉移到將增材制造系統(tǒng)集成于電動機生產周期中，以實施更強大、更高效地拓撲優(yōu)化下一代電動機。3D打印電動機似乎只是時間問題，預測在未來幾年內，原型拓撲優(yōu)化電動機組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動機繞組、熱交換器和同步轉子上。 當然，隨著技術、材料以及打印速度的進一步突破，在不久的將來3D打印或許可以在汽車汽車領域大有所謂。我國作為世界上最大的汽車產銷國之一，3D打印技術在我國汽車制造領域的實際應用將是不可逆的趨勢，而業(yè)內對于3D打印技術在汽車領域的探討也將不斷深入下去。 ?

審核編輯：劉清