增材制造如何引領(lǐng)新一代電動汽車的發(fā)展?

導(dǎo)讀：增材制造為新一代電動汽車提供的首要優(yōu)勢是能夠基于與內(nèi)燃機和混合動力汽車截然不同的方式，快速制作原型和開發(fā)整個汽車。由于動力總成中的運動部件少得多，車身設(shè)計和定制將成為新型電動汽車的特征。除了這種綜合優(yōu)勢，增材制造如何引領(lǐng)新一代電動汽車？



增材制造還將越來越多地在小批量生產(chǎn)中提供優(yōu)勢，加快新一代產(chǎn)品的上市速度，這是技術(shù)發(fā)展和新產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵優(yōu)勢。航天工業(yè)是一個能凸顯這種優(yōu)勢的應(yīng)用領(lǐng)域，由于 AM 消除了對規(guī)模經(jīng)濟的需求，數(shù)十家新的航天初創(chuàng)公司能夠?qū)�產(chǎn)品推向市場。相同的事情也發(fā)生在電動汽車領(lǐng)域，增材制造使得新的初創(chuàng)公司能夠進入市場，大公司對試驗和創(chuàng)新更加開放。

隨著需求降低和定制化產(chǎn)品的增多，3D打印的價值也逐步增加。使用聚合物，增材制造部件在批量可達(dá) 100,000 件時具有競爭力。這適用于小型復(fù)雜組件，其中LFAM技術(shù)越來越有競爭力，尤其是對于新產(chǎn)品首次推向市場所需的小批量零件，這是初創(chuàng)公司和新項目的首選制造方式。

隨著 EV （電動汽車）數(shù)量的增加，AM 機器的生產(chǎn)率也會增加，目前這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在聚合物和復(fù)合材料中，相信在不久的將來，也會適用于金屬部件。與目前的內(nèi)燃機汽車相比，電動汽車會使用更多的復(fù)合材料和聚合物部件來替代金屬。

通過擠壓、立體光刻和激光燒結(jié)技術(shù)進行快速原型迭代，包括通過 LFAM 技術(shù)（例如 Massivit 和 Ingersoll Masterprint 的全尺寸概念）和定制工具（包括非常大的復(fù)合工具），加快新車開發(fā)速度會得到大幅度提成，并且更具成本效益。

增材制造可以幫助加速電動汽車行業(yè)發(fā)展的另一個領(lǐng)域是數(shù)字倉儲（和按需備件生產(chǎn)）。使用者只需發(fā)送一個文件，從而實現(xiàn)更高效和可持續(xù)的供應(yīng)鏈。結(jié)合電動汽車的簡化生產(chǎn)流程，整體移動部件少得多，這更適用于當(dāng)?shù)氐奈⑿碗妱悠�車工廠。此外，電動汽車領(lǐng)域的許多新參與者更愿意采用數(shù)字供應(yīng)鏈動態(tài)。3D 打印的成本優(yōu)勢應(yīng)該通過查看其周圍的整個價值結(jié)構(gòu)來量化，但在某些特定的部分，這些優(yōu)勢可能更為明顯，具體方面如下：

1.電動汽車車身零件
EV 公司 Local Motors 率先展示了使用 LFAM 復(fù)合材料 3D 打印技術(shù) 3D 打印整個車身的能力。雖然該公司剛剛倒閉，未能成功進入競爭激烈且充滿挑戰(zhàn)的自動駕駛汽車市場，然而，增材制造為該公司提供了成功的最佳機會。

從 2014 年開始，Local Motors 3D 打印了第一輛完整的車身，即 Strati ，Local Motors 隨后推出了集成了完全 3D 打印車身的 Olli 智能 EV 車。例如，該團隊使用來自 SABIC (LNP THERMOCOMP) 的可回收聚碳酸酯材料和Thermwood的LSAM大幅面擠壓 3D 打印技術(shù)，3D 打印了 Olli 的上部和下部結(jié)構(gòu)。


△Local Motors 的首款 3D 打印汽車 Strati。它標(biāo)志著汽車行業(yè)的一場短暫革命，但它將 LFAM 3D 打印帶上了全球舞臺

Local Motors 創(chuàng)造了大量增材制造行業(yè)第一，包括使用 LFAM 技術(shù)（首先來自辛辛那提公司，后來來自 Thermwood）和來自 SABIC 的 LFAM 復(fù)合材料來生產(chǎn)大型汽車最終零件。如果可能的化，Local Motors 應(yīng)該更忠實于其作為一家3D打印公司的核心，繼續(xù)開發(fā)這種生產(chǎn)方法，并與 OLLI 一起瞄準(zhǔn)其他 LFAM 應(yīng)用以擴展其業(yè)務(wù)。

雖然 EV 車身部件的 AM 生產(chǎn)尚未實現(xiàn)量產(chǎn)，但其他公司正在追隨 Local Motors 的腳步。其中之一是XEV，這是一家開發(fā)并商業(yè)化推出 YOYO 的意大利-中國公司。該公司使用 BigRep PRO LFA 3D 打印機打印可定制的車身部件。XEV 的 3D 打印生產(chǎn)線旨在消除對有限和資源密集型工具的需求，從而實現(xiàn)靈活高效的制造過程。該技術(shù)可以以更少的車身部件、更快的技術(shù)更新顯著縮短生產(chǎn)周期，顯著降低了生產(chǎn)成本，因此 YOYO 在意大利的售價略高于 10,000 歐元。這也得益于預(yù)先設(shè)計和標(biāo)準(zhǔn)化的底盤，3D 打印部件可以通過顯著減少的重新設(shè)計進行修改和更改。對于最終的表面質(zhì)量，3D 打印部件還經(jīng)過自動化機器人銑削過程，以保證非常光滑的表面。


△XEV 最初是使用大幅面 3D 打印工藝和零件開發(fā)的。該車沒有獲得廣泛的媒體關(guān)注，但現(xiàn)在越來越多的汽車共享服務(wù)提供商（例如意大利的 enjoy）采用它。

這些只是 AM 在 EV 車身零件生產(chǎn)中采用的兩個最明顯的例子，還有其他更具概念性的項目涉及大型汽車制造商和小型創(chuàng)新初創(chuàng)公司。一般來說，較大的公司，如 FCA 和 MINI，更保守地考慮使用 AM 來制造更小的零件和定制他們即將推出的電動汽車，而一些創(chuàng)新的初創(chuàng)公司正在尋找模塊化元素來增加功能。例如，瑞士汽車制造商 Rinspeed 對模塊化和效率驅(qū)動的汽車未來提出了獨特的愿景：其 MetroSnap 概念是一種電動和模塊化車輛，具有可實現(xiàn)多種功能的 3D 打印部件。該車輛基于公司的創(chuàng)新概念，底盤和車身分離，可以更換車身。

電動車市場目標(biāo)是到 2030 年達(dá)到 2-3% 的電動汽車市場滲透率。增材制造在電動汽車車身部件生產(chǎn)中的應(yīng)用最初是一個長期的發(fā)展過程，但隨著電動汽車的采用率不斷增長，它正在迅速發(fā)展。由于預(yù)計未來電動汽車的零部件會越來越少，因此 3D 打印在電動汽車車身零部件生產(chǎn)市場的滲透率將高于傳統(tǒng)汽車。

輕量化是實施增材制造的主要優(yōu)勢之一，這對于電動汽車的開發(fā)至關(guān)重要，因為任何重量減輕或重量分布的改善都有助于延長電池壽命。3D 打印有助于開發(fā)新的零件幾何形狀，從而在不犧牲安全性的情況下使電動汽車更輕。正如航空航天零件開發(fā)中所證明的那樣，使用參數(shù)化優(yōu)化的幾何形狀為 AM 重新設(shè)計零件可以消除材料，減輕車輛的重量，同時保持安全所需的結(jié)構(gòu)完整性。

2.電動汽車輔助電氣系統(tǒng)和電子設(shè)備
這個市場包括音頻/視頻設(shè)備、相機、低壓供電系統(tǒng)、儀表和儀表、點火系統(tǒng)組件、照明和信號系統(tǒng)，以及幾種不同類型的傳感器、電氣開關(guān)、線束，還有電子產(chǎn)品需要集成到 EV 結(jié)構(gòu)中的外殼。在應(yīng)用方面，增材制造已經(jīng)在定制電子外殼和開關(guān)的生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。其他關(guān)鍵應(yīng)用包括銅在金屬 PBF 和結(jié)合金屬/粘合劑噴射技術(shù)中的使用。

增材制造零件生產(chǎn)公司和增材制造工廠已經(jīng)證明了 3D 打印電子外殼（及相關(guān)產(chǎn)品）的成本效益。大批量 3D 打印的一個優(yōu)勢是它能夠在無需模具成本的情況下大規(guī)模生產(chǎn)定制零件。這種自由允許產(chǎn)品在生產(chǎn)過程中不斷發(fā)展并減少庫存要求。電子外殼無法容納汽車中使用的數(shù)以百萬計的 PCB 設(shè)計，其中包含越來越多的電子元件。隨著電動汽車和定制需求的增加，這種趨勢將增加幾個數(shù)量級。借助 3D 打印，外殼可以按需生產(chǎn)，沒有成型成本。

Nano Dimension 一直專注于通過 3D 打印技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)電子元件。隨著對智能移動和互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備 (IoT) 需求的增加，基于聚合物的行業(yè)正在尋找開發(fā)創(chuàng)新和功能性設(shè)備的新方法，以及提供效率、改進性能和可負(fù)擔(dān)性的應(yīng)用程序。Nano Dimension 的 DragonFly System 是一種理想的技術(shù)，可加速內(nèi)部電子產(chǎn)品開發(fā)并提高設(shè)計自由度，從而快速且經(jīng)濟高效地開發(fā)新產(chǎn)品。


△Nano Dimension 的增材制造電子 (AME) 技術(shù)可用于為高級汽車設(shè)計創(chuàng)建優(yōu)化的機電部件。

增材電子技術(shù)可實現(xiàn)導(dǎo)電元件、封裝傳感器和智能表面的快速原型制作和制造，所有這些都可以為汽車制造商提供打印整個電路板或僅部分連接器的靈活性，以及​​開發(fā) RF 和數(shù)字董事會的部分平行于飛行中的測試概念。這將發(fā)展定制電子產(chǎn)品的應(yīng)用，包括嵌入式傳感器、導(dǎo)電幾何結(jié)構(gòu)、模制連接設(shè)備、PCB 等，它們可以成為創(chuàng)新汽車組件的支柱，從而增強駕駛員體驗。

同樣，Rogers Corporation 與 Fortify3D 合作開發(fā)了 Radix 3D Printable Dielectrics 系列產(chǎn)品，第一種可用的材料具有 2.8 的介電常數(shù)和微波頻率下的低損耗特性。這些可打印介電材料為射頻 (RF) 設(shè)計人員創(chuàng)造新組件提供了前所未有的設(shè)計自由度，例如用于汽車制動和防撞的汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用，無需考慮典型的制造設(shè)計約束。

隨著內(nèi)燃機變得更加緊湊和電動汽車變得更加流線型，增材制造在電子元件（尤其是外殼和開關(guān)）生產(chǎn)中的應(yīng)用預(yù)計將迅速增加到批量生產(chǎn)水平。使用高溫材料的聚合物 3D 打印已經(jīng)可以生產(chǎn)多種引擎蓋下的組件。對于電動汽車和一般的智能汽車，AM 的使用率預(yù)計會增加，因為溫度不再是一個問題（除了電池），而且對復(fù)雜電子部件的需求也在增加。

3. 電氣化動力總成部件和增材制造應(yīng)用
到 2020 年，全球電動動力總成市場規(guī)模估計約為 200 億美元，到 2027 年將增長到近 400 億美元。一些動力總成和底盤部件對于內(nèi)燃機車輛和電動汽車都是通用的，盡管它們可能采用不同的形式，其中一些已經(jīng)以某種形式進行了 3D 打印。首先是備受矚目的 Czinger 21C 混合動力超級跑車項目，該項目集成了許多 3D 打印部件。Czinger 使用增材制造方法來創(chuàng)建性能工程部件，包括源自項目前身 Blade 超級跑車的底盤，由 SLM Solutions 的金屬 PBF 技術(shù)生產(chǎn)的。

Bugatti 是另一家主要的內(nèi)燃機超級跑車制造商，在被 Rimac 收購后，它正在向電氣化發(fā)展。Bugatti 在許多部件上使用了增材制造，包括革命性的鈦合金 3D 打印制動卡鉗。最近，該公司生產(chǎn)了混合動力部件，例如 0.5 米長的輔助驅(qū)動軸，將碳纖維與 3D 打印的鈦端配件相結(jié)合，重量減輕了約一半至 1.5 千克，并由于減少了旋轉(zhuǎn)而提高了性能。Rimac 從一開始就一直在使用 3D 打印，當(dāng)時該公司在 2011 年轉(zhuǎn)向 Materialise 為其 Concept_One 生產(chǎn)內(nèi)飾件，Concept_One 是世界上第一款電動超級跑車之一，談到超級跑車，蘭博基尼是另一個同時關(guān)注電氣化和3D打印的主要品牌。

電動汽車使用電池中節(jié)省的電力循環(huán)電動機并產(chǎn)生行駛所需的電力。因此，電動汽車不需要發(fā)動機和變速器，這是兩個內(nèi)燃機車最關(guān)鍵的部件。相反，EV 攜帶多個電力組件：電機、電池、車載充電器和電力控制單元 (EPCU)。所有這些都是實現(xiàn)電池電能轉(zhuǎn)化為動能的必要組成部分。電動機也是一臺發(fā)電機，它將空檔（即汽車下坡時）產(chǎn)生的動能轉(zhuǎn)化為電池儲存的電能。當(dāng)汽車減速時，同樣的節(jié)能理念也適用。


△Additive Drives 的專利 NextPin 技術(shù)可顯著提高電機性能。

在電動機中，AM 的一個特別有趣的焦點是銅。德國公司 Additive Drives 展示了前景廣闊的應(yīng)用案例：一是與 TU Freiberg 的 Racetech Racing Team eV 合作，在賽車引擎上使用的 3D 打印單線圈。在另一個項目中，銅質(zhì)3D打印發(fā)夾繞組將電動牽引電機原型的開發(fā)和生產(chǎn)所需時間縮短至一個月。此外，總部位于德累斯頓的智能電動車制造商 Binova 實現(xiàn)了單個批次的直接生產(chǎn)，他們使用3D打印的單個線圈，Binova生產(chǎn)了幾種不同類型的電動自行車，這些電動自行車采用非常規(guī)的電動機設(shè)計且無需工具調(diào)整。保時捷和 SLM Solutions 也進行了一個項目，該項目的重點是使用 3D 打印為電力驅(qū)動器制造完整的外殼。使用增材激光融合工藝生產(chǎn)的發(fā)動機變速箱單元上的 3D 打印 E-Drive 外殼通過了所有質(zhì)量和壓力測試。未來，這可能會成為一種可行的生產(chǎn)方式。

在電動汽車中，減速器是一種傳動裝置，可有效地將電機的動力傳遞至車輪。電機的 RPM 遠(yuǎn)高于內(nèi)燃機，因此隨著 RPM 的降低，EV 動力總成可以利用由此產(chǎn)生的更高扭矩。該部件是一個相當(dāng)復(fù)雜的金屬部件，可以通過 AM 進行優(yōu)化，以在未來實現(xiàn)快速生產(chǎn)、提高性能和減輕重量。電力控制單元是另一個可以從增材制造工藝中受益的復(fù)雜外殼，它包括逆變器，將電池的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，用于控制電機轉(zhuǎn)速；低壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，為車輛的各種電子系統(tǒng)供電；和車輛控制單元。VCU 監(jiān)督幾乎所有車輛的動力控制機制。

4. 電動汽車電池
2019 年，全球純電動汽車市場規(guī)模達(dá)到近 500 億美元。NMSC 的數(shù)據(jù)顯示，預(yù)測 2019 年至 2030 年間市場的復(fù)合年增長率為 14.1%，到 2030 年將超過 2120 億美元。電池儲存電能，相當(dāng)于內(nèi)燃機中的油箱：容量越大，行駛距離越遠(yuǎn)。然而，電池的尺寸和重量也對車輛性能有很大影響。更大更重的電池會占用機艙/存儲空間，并降低能源效率和燃油經(jīng)濟性。因此，優(yōu)化性能的最佳方法是最大限度地提高電池的能量密度，也就是說，使用一個體積小、重量輕的電池來儲存盡可能多的電能。


△Sakuu 的 Swift Print 固態(tài)電池可為電動汽車、電動汽車和廣泛的儲能應(yīng)用提供一流的性能、可定制性和安全性。

許多公司已經(jīng)做出多項努力來使用不同的3D打印技術(shù)生產(chǎn)電池，包括聚合物和陶瓷材料。由于電池可以采用多種不同的形狀和尺寸來提高效率，因此 AM 技術(shù)有助于測試并最終制造幾個新的設(shè)計迭代。今天電動汽車中使用的電池基本上是成排的數(shù)百個小型電池固定在一起以增加容量。例如，特斯拉 85kWh 電池組由 7,104 個電池組成，大小與 AA 大致相當(dāng)。使用3D打印，無需制造和組裝單個電池：模塊可以設(shè)計和打印成所需的整體形狀。增材制造還可以改變電池電極的結(jié)構(gòu)。

瑞士公司 Blackstone Resources 憑借其用于打印鋰離子固態(tài)電池 (SSB) 的專有3D打印技術(shù)取得了一系列重要里程碑。Blackstone 的 3D 打印工藝聲稱與使用液體電解質(zhì)的傳統(tǒng)電池設(shè)計相比具有顯著優(yōu)勢。其中包括顯著降低的成本、更高水平的生產(chǎn)靈活性（就電池形式而言）以及提高 20% 的能量密度。此外，通過使用這項技術(shù)，不儲存能量的材料（如銅和鋁）的數(shù)量最多可減少 10%。這家瑞士公司還開發(fā)了一種工作流程，可以在 2021 年使用專有的電池打印技術(shù)批量生產(chǎn)任何形狀或形式的電池。

Blackstone 并不是唯一一家開發(fā) 3D 打印 SSB 的公司。在美國，Sakuú Corporation（前身為 Keracell）公司籌集了 6200 萬美元，用于資助開發(fā)自動化多材料多工藝增材制造技術(shù)，以生產(chǎn) 3D 打印 SSB。在2020-2021年期間，Sakuú將其第一代電池的能量密度從40Wh/l提高到600Wh/l，同時將電池層數(shù)從1層增加到30層，同時將電池容量從2.3mAh增加到3000mAh，創(chuàng)下了電動汽車 SSB 的新基準(zhǔn)。這些電池在能量密度方面將與當(dāng)前的鋰離子電池極具競爭力，同時帶來固態(tài)技術(shù)固有的安全優(yōu)勢。2021年，Sakuú 還打印了世界上第一款全陶瓷 SSB 電池，作為其第二代產(chǎn)品的早期展示-代 ASSB（全固態(tài)電池）。

在電動汽車動力總成中，增材制造的使用對于減少零件數(shù)量特別有效，從而減輕了重量并提高了性能。反過來，零件減少可以增加行駛里程。增材制造在電動汽車中已經(jīng)有了實際應(yīng)用部件，如底盤、制動器和流體流動應(yīng)用，這些都高度依賴于在串聯(lián)電池制造中實施增材制造的能力。這方面的相關(guān)努力已經(jīng)在進行中，但距離它成為一個整合的商業(yè)機會還需要多年的研究和發(fā)展。