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3D打印在新能源汽车制造领域的应用

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。

1. 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510万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。

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。

2. 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。

3. 宝马

宝马于20193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试生产线包含一个开放式体系结构,可适用于任何LPBF系统(选区激光金属熔化3D打印技术)。

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,项目合作伙伴计划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应该减半。

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。

4. 结语

新能源汽车所用电动机包括直流电动机、感应电动机、永磁同步电动机及开关磁阻电动机等。当前,永磁同步电动机系统正在成为新能源汽车的电动机主流,这类电动机具有高功率密度、宽调速范围等优势,未来新能源汽车驱动用电动机系统正朝着永磁化、数字化和集成化的方向发展。

当前,世界上的电动机研发团队已将大量精力转移到将增材制造系统集成于电动机生产周期中,以实施更强大、更高效地拓扑优化下一代电动机。根据3D科学谷的市场研究结果,3D打印电动机似乎只是时间问题。预测在未来几年内,原型拓扑优化电动机组件的3D打印将急剧增加,最有可能集中在3D打印电动机绕组、热交换器和同步转子上。


来源: 3D科学谷 报道:王晓燕 朱 琳
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