3D打印在新能源汽车制造领域的发展与趋势
新能源汽车的生态系统是开放的，是变化和动态的。传统汽车从设计定型到新车出厂通常需要三年时间，在此期间针对这些零件生产的工艺与供应链都进入到了固化状态。而像特斯拉这样的车企，其软件几乎每个月都会更新。数字化的基因可以说根植在新造车势力的血液中。
3D打印带来的数字化，让人类第一次能够产生真正的经济净收益门槛：通过将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的生产。
3D打印是一种带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方式是本质性的，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打印与新能源汽车具有制造基因方面的“天然契合”。
论文发表在《金属加工（热加工）》
2022年第7期
当前技术发展情况
根据ACAM亚琛增材制造中心，ACAM亚琛增材制造中心（以下简称ACAM亚琛中心）对增材制造在多功能材料方面的愿景为无限组合的材料与技术，而最终的目标是点击即生产。ACAM亚琛中心定义达到这个愿景的进阶过程包括5个梯度，Level 0为功能化增材制造过程；Level 1为可预测的增材制造过程；Level 2为自动化的增材制造过程；Level 3为全自动化的增材制造（包括前处理与后处理）；Level 4为集成化的全自动化不同制造工艺的组合[1]。当前，世界范围内增材制造的发展大多还处在Level 0的水平。
汽车生产需要高度的自动化、高效率、低成本、质量一致性，这似乎与3D打印当前的发展水平存在不少“鸿沟”。因此，3D打印在汽车制造方面的发展现状与未来趋势需要结合3D打印技术的特点来理解。
根据ACAM亚琛增材制造中心，一方面，3D打印改变了制造逻辑。通常对于同一个产品来说，通过传统制造技术生产的数量越多，产品的单件成本也随之呈下降趋势；而对于增材制造来说，单件成本与产量的相关性是独立的，这是在考虑可扩展性时需要考虑的因素。另一方面，关于产品的复杂性。通常在通过传统制造技术来生产零件时，产品越复杂，成本越高，企业则需要很昂贵的投资（包括新的模具，甚至是新的设备来实现）；而对于增材制造来说，零件的复杂性与成本的相关性也是独立的，零件几何形状的复杂性通常并不会带来额外的制造成本。
对于汽车来说，虽然汽车生产向更小批次的趋势发展，但当前3D打印技术与汽车的结合点并非是3D打印技术的成本与产量的相关性是独立的这方面因素，而是3D打印技术成就更复杂的产品。
© 3D科学谷白皮书
在金属3D打印领域降低零件成本方面，以粘结剂喷射金属3D打印技术为代表的间接金属3D打印技术，以高速、低成本获得了业界的高度关注。大众采用的惠普金属3D打印技术正是粘结剂喷射金属3D打印技术。
粘结剂喷射金属3D打印技术，从生产效率、经济性的角度充分满足了汽车面向量产的应用要求。而可打印材料的丰富多样（从金属到陶瓷，金属与金属的复合材料，陶瓷与金属的复合材料等)，使得粘结剂喷射金属3D打印技术的适用场景得到了进一步的延伸[2]。
除了汽车上用的铝合金和铜合金，目前适合粘结剂金属3D打印技术的钢材料包括：17-4PH不锈钢、304L不锈钢、316L不锈钢、M2工具钢、H13工具钢，还包括4140不锈钢、420不锈钢、4340不锈钢、4605不锈钢等正在开发的材料[3]。
此外，塑料3D打印及碳纤维复合材料3D打印发展迅速，丰富了汽车3D打印的技术选择。
车企应用案例
汽车行业需要利用3D打印技术的具体优势来提升产品设计，然而要想将3D打印用于具体的汽车零部件生产，需要突破的一大挑战是经济性。目前，用于3D打印的汽车零部件大多数是小批量的十几个，要增加到汽车行业普遍所需要的高达100万的产量，3D打印必须要突破经济性的障碍。
下面将通过介绍3D打印技术在大众、福特、宝马等企业的最新应用进展，来探究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
大众在2019年就发布了将在大众汽车上使用惠普金属3D打印技术的计划，首先是进行大规模定制和装饰部件的制造，并尽快将惠普的HP Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。
大众的目标是每年制造5～10万个足球大小尺寸的零件，这些零件可能包括变速杆和后视镜支架等。增材制造因其在轻量化方面的优势而在不断增长的电动汽车生产领域中获得部署。目前，大众成立了加州创新与工程中心（IECC），推出了一款集成 3D 打印的独特概念车，并很快宣布与 GKN 和惠普一起在HP Metal Jet上生产了 10000 个金属零件（见图1）。正是这一里程碑为大众与惠普继续合作，并为大众的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 HP Metal Jet 技术生产的汽车零部件
金属粘结剂喷射3D打印技术将推动大众制造中3D打印技术迈向成熟，从而使该技术具有成本效益。为了利用粘结剂喷射的优势，大众正在扩大与惠普的合作伙伴关系，以布局更多产能，并引入西门子为该技术提供专门的软件。
通过西门子的自动化和软件解决方案，大众将能够更快、更灵活、使用更少的资源来开发和生产零部件。到目前为止，使用粘结剂喷射制造的第一批汽车零部件已送往大众的奥斯纳布吕克工厂进行认证。该零件用于大众T-Roc敞篷车的 A 柱，据相关资料显示，其重量是由钢板制成的传统部件的一半。
l 福特
福特在2021年宣布，计划在规模化汽车制造中采用3D打印技术。福特之前在3D打印技术方面取得了一定程度的成功，不过当时仅涉及较低的产量。但福特现在的技术远不止于小批量的3D打印生产应用，其正在开发的3D打印零部件将用于福特“非常受欢迎的车型”的全面生产。
福特用于粘结剂喷射金属3D打印的粉末是Al6061，而成功将铝应用于汽车零部件3D打印生产的意义是重大的：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、提高零部件性能，以及节省成本和时间。
针对3D打印下一代电动机，福特还与蒂森克虏伯、亚琛工业大学组成联盟开始了一项研究，以开发下一代电动汽车灵活、可持续的生产工艺。目前，开发的项目名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电动机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。
电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，经典的圆线绕组有许多限制：铜导体、绕组工艺与槽口几何形状必须匹配；彼此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的配合不佳，结果每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。
3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，所以3D打印带来的时间节省，尤其是在所谓的发夹绕组上得到了回报。
让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。目前，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印，以及粘结剂喷射金属3D打印，均是最为主要的应用技术。
通过3D打印电动机铜线圈绕组，改变一百多年来的电动机线圈设计思路。传统工艺的铜丝或者铜片，在狭小的电动机定子、转子空间内很难展现最优设计，而3D打印将带来一定的改变。
l 宝马
宝马于2019年3月在慕尼黑举行了IDAM联合项目启动会议，旨在为增材制造业进入汽车系列生产铺平道路。IDAM的目标是推动“汽车领域增材制造（AM）技术的工业化和数字化”。IDAM的目标是建立两条试验线，一条在GKN的波恩工厂，另一条在宝马集团的慕尼黑工厂。IDAM团队促使增材制造技术向符合特定要求的方向发展，以生产质量一致的零部件以及基于特定组件的个别备品备件。目标是每年采用3D打印技术制造至少50000个批量生产的零部件和10000多个备品备件。IDAM生产线包含一个开放式体系结构，可适用于任何LPBF系统（选区激光金属熔融3D打印技术）[5]。
2020年，宝马投资1500万欧元（超1亿元人民币）的慕尼黑3D打印工厂正式启动，这奠定了宝马集团在汽车行业增材制造技术领域的领先地位。
在德国IDAM计划支持下，宝马慕尼黑的3D打印工厂还建设了模块化和几乎完全自动化的3D打印生产线。该生产线涵盖了从数字化设计到零部件3D打印制造再到后处理的整个过程。由于生产线的模块化结构，必要时可以升级换代，所以各个模块可以适应不同的生产要求，还可以灵活地控制工艺步骤。通过综合考虑融入汽车生产线的要求，项目合作伙伴将流程链中的手工部分从目前的约35%减少为不到5%。与此同时，3D打印金属零部件的单位成本减半。
以上案例说明，目前很多新设计尽管还没有进入产业化，仍处于初始阶段，但如果制造企业不尽早做出准备，并进行备品备件及原型的创新，从创新思维的设计入手，那么这些企业将被其他企业超越，并会很快发现自己已经处于竞争劣势。
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