根據3D科學穀的市場觀察，從(cong) 世界範圍來看，推動3D打印用於(yu) 新電力驅動的前沿研究正在形成多個(ge) 發展趨勢：一種趨勢是福特攜手亞(ya) 琛工大開發靈活而可持續的3D打印電動機零部件，其聚焦點是銅金屬；一種趨勢是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為(wei) 經濟的打印方式所實現的新型電動機零件，其聚焦點是絲(si) 網打印或binder jetting粘結劑噴射3D打印；一種趨勢是英國製造技術中心MTC 完全3D打印的電機，其聚焦點是產(chan) 品重新設計；最後一種趨勢是Connactive 項目或者保時捷與(yu) GKN所合作的項目，其聚焦點是新材料與(yu) 新設計的結合。

▲3D打印銅電機繞組的技術邏輯

©3D科學穀《》

銅的別有洞天

純銅及銅合金由於極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用於電力、散熱、管道、裝飾等領域，有的銅合金材料因具有良好的導電、導熱性和較高強度，被廣泛應用於製造航空、航天發動機燃燒室部件。但是隨著應用端對於複雜結構零部件的需求增多，傳統加工工藝已逐漸無法滿足需求。3D打印技術具有可成形複雜結構零部件，材料利用率高，無需模具等優點，該技術在製備複雜功能集成的純銅或銅合金散熱器與熱交換器、尾噴管、電機繞組等零部件方麵具有巨大的應用潛力。 3D科學穀

▲©D科學穀

/3D打印電動機的快速發展

根據3D科學穀的市場觀察，從(cong) 世界範圍來看，推動3D打印用於(yu) 新電力驅動的前沿研究正在形成多個(ge) 發展趨勢：一種趨勢是福特攜手亞(ya) 琛工大開發靈活而可持續的3D打印電動機零部件，其聚焦點是銅金屬；一種趨勢是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為(wei) 經濟的打印方式所實現的新型電動機零件，其聚焦點是絲(si) 網打印或binder jetting粘結劑噴射3D打印；一種趨勢是英國製造技術中心MTC所致力的完全3D打印的電機，其聚焦點是產(chan) 品重新設計；最後一種趨勢是Connactive 項目或者保時捷與(yu) GKN所合作的項目，其聚焦點是新材料與(yu) 新設計的結合。

根據3D科學穀的市場觀察，電動汽車的電動機定子繞組的開發通常是眾(zhong) 所周知的瓶頸，3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發障礙。由於(yu) 傳(chuan) 統的生產(chan) 涉及複雜的彎曲和焊接過程，3D打印帶來的時間節省尤其是在所謂的發夾式繞組上得到了回報。本期，3D科學穀通過對銅在3D打印電動汽車的電動機定子繞組的最新發展，與(yu) 穀友共同來感知3D打印如何成就電動汽車電驅動關(guan) 鍵組件。

電動機的最大輸出功率由於(yu) 其預熱而受到限製，例如由於(yu) 允許的繞組溫度而受到限製。通常有兩(liang) 個(ge) 提高功率限製的杠杆：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設計在這裏起主要作用，因為(wei) 它是主要的熱源。

經典的圓線繞組有許多限製：銅導體(ti) ，繞組工藝和槽口幾何形狀必須匹配。彼此纏繞的導體(ti) 形成牢固的圖案。此外，圓形導線（經典的導體(ti) 形狀）在幾何形狀上與(yu) 梯形凹槽的配合不佳。結果是，每個(ge) 凹槽都被銅填充了一半，從(cong) 而形成了空隙。相對較小的導體(ti) 橫截麵可確保較大的電熱損耗。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方麵具備獨特的優(you) 勢。在這方麵，市場上熟知的L-PBF選區激光金屬熔化3D打印技術以及Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術是目前最為(wei) 主的應用技術。

▲©exone

其中，粘結劑噴射金屬3D打印技術方麵，ExOne與(yu) 創新電機公司Maxxwell合作研發生產(chan) 電機銅線圈繞組，改變一百多年來的電機線圈設計思路。傳(chuan) 統工藝的銅絲(si) 或者銅片，在狹小的電機定子、轉子空間內(nei) 很難展現最優(you) 設計，3D打印將帶來一定的改變。

▲©D科學穀《》

l 商業(ye) 化3D打印增材製造電動機定子繞組

根據3D科學穀的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材製造電動機定子繞組，並有望顯著改善零件性能。

德國Additive Drives公司通過3D打印實現了更高的自由度，通過基於(yu) 粉末床的SLM選區金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從(cong) 物理上講，這意味著匝的最大橫截麵和較小的電阻。而通過3D打印所實現的可變的形狀還有利於(yu) 散熱，因為(wei) 每條電線都與(yu) 線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點。

隨著激光器的發展，3D打印銅的應用走向了良性的發展趨勢，根據3D科學穀的市場觀察，在定子繞組的3D打印方麵，由於(yu) 節省了纏繞工具，通過3D打印可以經濟地生產(chan) 多達500台以下的小批量電動機定子繞組。更低的線束電阻，更少的損耗，更短的繞組頭，所有這些都增加了電動機的價(jia) 值。

根據3D科學穀的市場了解，3D打印的電動機定子繞組目前可以承受的電流極限約為(wei) 1兆瓦，不過對於(yu) 商業(ye) 化前景來說，專(zhuan) 注於(yu) 功率在100 kW左右的功率範圍更為(wei) 合適，因為(wei) 這在汽車牽引電機中很常見。

l 產(chan) 業(ye) 化3D打印增材製造電動機定子繞組

福特與(yu) 蒂森克虜伯係統工程，亞(ya) 琛工業(ye) 大學DAP學院一起，在一條生產(chan) 線上開發靈活而可持續的電動機零部件生產(chan) 。該項目的名稱是HaPiPro2，指的是發夾技術。發夾繞組是電動機領域中的一項新技術，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳(chuan) 統的繞線電機更易於(yu) 自動化，並且在汽車領域特別受歡迎，因為(wei) 它可以大大縮短製造時間。

3D打印適用於(yu) 快速的原型製造，能夠將測量結果實時反饋到仿真中，從(cong) 而確保了所需的操作性能並提高了質量保證。HaPiPro2項目正在研究如何進一步開發該方法，以便在單個(ge) 生產(chan) 線上高效生產(chan) 不同型號的電動機。

▲©ACAM亞(ya) 琛增材製造中心

HaPiPro2項目不僅(jin) 旨在高效構建高效的電動機，而且還旨在開發生產(chan) 中的各種靈活性。ACAM研發聯合體(ti) 成員亞(ya) 琛工業(ye) 大學把與(yu) 麵向應用程序研究有關(guan) 的專(zhuan) 業(ye) 知識帶到整個(ge) 發夾的生產(chan) 過程鏈。亞(ya) 琛工業(ye) 大學的任務還包括分析因果關(guan) 係以及在生產(chan) 計劃中測試數字方法。

福特在2021年2月承諾，到2024年，所有歐洲商用車係列將提供全電動版本或帶插電式混合動力驅動的版本。福特預計，到2030年，全電動車型或插電式混合動力汽車將實現三分之二的商用車銷量。到2026年中，所有歐洲福特乘用車都將提供電動版本，到2030年將完全轉換為(wei) 純電動汽車。

根據3D科學穀的了解，福特歐洲首款全電動量油汽車將從(cong) 2023年起在科隆製造，該公司已投資10億(yi) 美元新建福特科隆電氣化中心，為(wei) 過渡到純電動汽車的未來創造了條件。

l 高速、高頻和功率密度的 eDrive 解決(jue) 方案

根據3D科學穀的了解，Connactive 項目成立於(yu) 2019 年，該項目致力於(yu) 實現高速、高頻和功率密度的 eDrive 解決(jue) 方案。這種跨公司合作將利用每個(ge) 成員的不同專(zhuan) 業(ye) 領域，其結果將推動現代電動發動機的發展。

目前，Höganäs 的金屬粉末用於(yu) Connactive 的第一個(ge) 項目：雙驅動係統、動力分流行星齒輪組和匹配的 RX II 單元，結合高扭矩 AX 電機和高度集成的電子設備。通過合作夥(huo) 伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，雙驅動係統在六個(ge) 月內(nei) 從(cong) 藍圖變為(wei) 批量生產(chan) 標準原型。

目前，根據3D科學穀的了解，該項目的解決(jue) 性成果預計這將把電驅動帶到一個(ge) 新的水平，並以最低的總成本加速市場引入。

/銅材料

銅材料方麵，根據3D科學穀的市場觀察，除了純銅，以及CuNi2SiCr 銅合金粉末材料，已投入應用的典型3D打印銅合金粉末材料還包括NASA（美國國家航空航天局）開發的高強度，高導電率的銅基合金GRCop-42， GKN 公司開發的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司開發的CuSn10和CuSn8等。

在我國增材製造企業(ye) 中，有研粉末新材料股份有限公司在國內(nei) 較早開展了增材製造用銅及銅合金粉末的研究與(yu) 應用，目前已形成較全係列的增材製造專(zhuan) 用銅及銅合金粉末產(chan) 品，包括純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等。

西安鉑力特已在銅金屬激光成形領域取得了進展，研製出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了複雜流道的銅材料製造工藝，成功製備出3D打印銅合金尾噴管；長沙新材料產(chan) 業(ye) 研究院有限公司等材料企業(ye) 進行了CuCrZr銅合金3D打印粉末的研發。