增材制造將如何改變電動汽車和交通運輸行業(yè)？

導(dǎo)讀：隨著 3D 打印進(jìn)入電動汽車(EV) 市場，交通運輸行業(yè)或?qū)⒂瓉硪粓龃蟮淖兏�。與傳統(tǒng)汽車行業(yè)和其他交通領(lǐng)域相比，電動汽車 (EV) 制造商似乎更容易在生產(chǎn)過程中引入增材制造 (AM) 技術(shù)，這是因為增材制造帶來的眾多功能和復(fù)雜幾何形狀成形的諸多可能性。

在汽車行業(yè)，對于那些真正的大眾市場汽車、內(nèi)燃機等已經(jīng)生產(chǎn)了很長時間的東西，汽車制造商已經(jīng)建立了非常完善的供應(yīng)鏈，他們知道在哪里可以獲得沖壓件、注塑件或鑄件，所以增材制造技術(shù)難以打進(jìn)傳統(tǒng)汽車制造的市場。

電動汽車（EV）行業(yè)則代表了一個新的機遇平臺，它擺脫了內(nèi)燃機、發(fā)動機、油箱等傳統(tǒng)汽車零部件的制約，你更多需要考慮的是像大型電池組的冷卻系統(tǒng)一類的東西。因此，增材制造在電動汽車領(lǐng)域開始看起來更具吸引力，也提供了更多的發(fā)展空間。當(dāng)你試圖擴大這些車輛的續(xù)航里程時，輕量化變得非常重要，而且你可能不會被那些傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈所束縛。另一個有趣的事情是，電動汽車市場上也有很多初創(chuàng)公司進(jìn)入這個市場，它們也并沒有任何傳統(tǒng)燃油汽車的制造經(jīng)驗。

3D打印金屬部件在電動汽車上的應(yīng)用

金屬 3D 打印汽車零件最著名或最著名的例子是GM公司打印的座椅支架。2019 年，通用汽車與 Autodesk 合作開發(fā)了這種生成式設(shè)計的金屬 3D 打印座椅支架，它的重量減輕了 40%，強度提高了 20%，并且將八件式組件整合為一個零件。

保時捷工廠車手和賽車隊創(chuàng)始人羅曼杜馬斯在達(dá)喀爾汽車?yán)�力賽上駕駛的汽車上也有用到3D打印零件，他們讓 AddUp 的子公司 Polyshape 3D 打印汽車的一些零件。他們有一個 3D 打印的杠桿，其質(zhì)量比原來的少 60%。由于 3D 打印設(shè)計，他們能夠?qū)㈦娎|嵌入杠桿中進(jìn)行一些組裝整合。他們還 3D 打印了汽車的踏板，因此它們也更輕，比原件輕 42%。他們所做的另一件有趣的事情是，他們使最常用的踏板剎車比其他兩個踏板更堅固，并且他們還放置了一個特殊的表面 3D 打印表面，可以增加踏板和駕駛員腳部之間的抓地力，以防止滑倒。最后一個部分是 3D打印的排氣球接頭，可防止排氣管波紋管在比賽中破裂或著火。

△保時捷原型電驅(qū)動電機外殼采用選擇性激光熔化鋁合金制成。圖片來源：保時捷

越野摩托車制造商Cobra Moto今年發(fā)布了他們的第一輛電動自行車，他們有一臺金屬打印機，最近又添加了一臺 Multi Jet Fusion 打印機。該公司的電動自行車看起來與前幾代的自行車很相似，只是上面的部件由3D 打印制造。越野摩托車上的油箱被3D 打印的空氣分流器替代，它被用來引導(dǎo)空氣來冷卻電機。這款車型上面還有各種其他 Multi Jet Fusion 部件。

3D打印固態(tài)電池與電動汽車

Sakuu 公司是一家從事3D打印電池開發(fā)的公司，他們正在開發(fā)用于固態(tài)電池的 3D 打印平臺，用于代替鋰離子電池�，F(xiàn)在鋰離子電池是電動汽車中最常見的電池類型，但它們也有一些缺點，主要問題是它們的液體電解質(zhì)如果損壞或過熱容易著火，所以很明顯一個安全問題。因為這些電池存在這種風(fēng)險，所以它們周圍有這些安全系統(tǒng)來降低風(fēng)險，這在已經(jīng)很重的電池之上增加了額外的重量。事實上，鋰離子電池需要相當(dāng)大的數(shù)量才能為整輛汽車供電。因此，固態(tài)電池是可能的，它使用固體電解質(zhì)而不是液體，但事實證明它們很難制造。

Sakuu 營銷和業(yè)務(wù)發(fā)展副總裁戴夫·彼得森 (Dave Peterson) 將固態(tài)電池描述為三明治或夾層蛋糕，陽極和陰極之間有固體電解質(zhì)。但挑戰(zhàn)在于使用的是非常薄的材料，如20 或 30 微米厚。而且你很難知道，處理它并確保你知道的表面正在接口并且它們正確接觸。所以，Sakuu 正在開發(fā)一個平臺，該平臺可以 3D 打印固態(tài)電池并構(gòu)建它們，以便所有層都能正確連接，而且您不需要處理薄薄的材料。為了做到這一點，他們開發(fā)了一種名為Kavian的多材料、多工藝 3D 打印平臺。它結(jié)合了用于更大區(qū)域的粘合劑噴射型工藝，然后是用于更精細(xì)細(xì)節(jié)的材料噴射。它可以在單層中制作一大堆材料，如陶瓷、玻璃、金屬和聚合物。最大的挑戰(zhàn)之一是材料兼容性。公司必須做很多工作來確保所有材料從印刷到燒結(jié)都可以協(xié)同工作。好處之一是將所有這些流程組合到一個平臺中可以加快生產(chǎn)速度，特別是因為它們可以同時并行運行一些流程。因此，這對于汽車行業(yè)的大批量生產(chǎn)至關(guān)重要。而這一切仍在開發(fā)中。而且我還認(rèn)為，看看這個平臺除了電池還能用于什么方面會很有趣，因為它是多工藝、多材料、3D 打印，并且有很多廣泛的應(yīng)用。

Photocentric公司是另一家從事于3D 打印電池開發(fā)的公司，他們專注于數(shù)字光處理（DLP）技術(shù)。該公司通過使用特殊樹脂與粉末狀電極材料混合，從而進(jìn)行打印。你可以制造一個可能與現(xiàn)有電池大小相同的電池，但它的功率更大，范圍更廣。3D 打印汽車電池的另一件挑戰(zhàn)是這些電池組占用了大量空間。如果可以通過 3D 打印制作它，可以造出不同的形狀，或者它的配置方式可以為貨物或腿部空間留出更多空間。

△傳統(tǒng)的電池電極是通過需要工具的工藝制成的。3D 打印電極的能力開啟了新的電池和電池組幾何形狀，以及更好的能量密度和性能。圖片來源：Photocentric公司

增材制造和電動汽車的未來發(fā)展趨勢

Extol公司是一家位于密歇根州西部的汽車制造商，致力于推動3D打印在電動汽車行業(yè)的應(yīng)用是他們公司服務(wù)的重要組成部分。談及3D打印在汽車零部件的制造方面，該公司的高級應(yīng)用和銷售工程師 Andrew Roderick 評論說：“車輛設(shè)計周期變得越來越快、越來越短。就像過去汽車制造商可能需要四年時間來設(shè)計和發(fā)布一輛新車一樣，現(xiàn)在這個周期縮短到兩年左右，這就是電動汽車的發(fā)展模式�！�

隨著電動汽車的發(fā)展，對鋁合金零部件的需求也大幅度增加。AlloyEnterprises 公司開發(fā)了一種名為選擇性擴散粘合的工藝，這是一種鋁片層壓形式。鋁合金材料既堅固又輕巧，它的強度重量比是鋼的兩倍，而且無限可回收，非常適合汽車零部件的制造。但就鋁的增材制造而言，并沒有真正的工藝專為鋁材設(shè)計。所以他們開始研究這個問題，他們決定放棄鋁粉打印的模式，并發(fā)明了這種新穎的鋁原料，使用與鋁箔和汽水罐相同的鋁軋制工藝。Alloy Enterprises 公司采用這種原料，進(jìn)行激光切割，在材料的某些區(qū)域涂抹抑制劑以形成支撐物，將片材堆疊起來，粘合它們，然后去除支撐物取出零件。該工藝可廣泛應(yīng)用于電動汽車部件制作上，如外殼、電子設(shè)備、帶有冷卻通道的部件和邊緣模塊化部件。

為了更進(jìn)一步地接觸到汽車客戶，GKN Additive公司在靠近底特律地密歇根州奧本山開設(shè)了一個新工廠，該設(shè)施所做的大部分工作就是增材制造電動汽車零件。GKN 是一家擁有非常悠久的金屬零件生產(chǎn)歷史的公司，主要是沖壓和燒結(jié)以及 MIM、金屬注塑成型，但幾年前，他們收購了位于加利福尼亞的 Forecast 3D，例如，擁有大量 HP Multi Jet Fusion 打印機的合同制造商或服務(wù)機構(gòu)，所以他們非常了解聚合物增材制造。

增材制造擁有縮短制造周期、一體化定制的制造能力，也許它進(jìn)入傳統(tǒng)汽車市場確實會受到一定的限制。但是南極熊認(rèn)為，增材制造在電動汽車領(lǐng)域?qū)�會開啟無限的可能性。未來，它不僅會改變制造座椅支架和電池的生產(chǎn)方式，也將改變這些車輛制造零件模式，以及制造的車輛類型。