1 序言

新能源汽車的生態系統是開放的，是變化和動態的。傳統汽車從設計定型到新車出廠通常需要三年時間，在此期間針對這些零件生產的工藝與供應鏈都進入到了固化狀態。而像特斯拉這樣的車企，其軟件幾乎每個月都會更新。數字化的基因可以說根植在新造車勢力的血液中。

3D打印帶來的數字化，讓人類第一次能夠產生真正的經濟凈收益門檻：通過將客戶行為與生產者行為同步，以需求為導向，從生產過剩轉向需求驅動的生產。

3D打印是一種帶有鮮明數字化特征的技術，這意味著增材制造能夠改變產品的生產方式是本質性的，不僅可以實現個性化，還可以實現功能化導向的制造，這使得3D打印與新能源汽車具有制造基因方面的“天然契合”。

2 當前技術發展情況

ACAM亞琛增材制造中心（以下簡稱ACAM亞琛中心）對增材制造在多功能材料方面的愿景為無限組合的材料與技術，而最終的目標是點擊即生產。ACAM亞琛中心定義達到這個愿景的進階過程包括5個梯度，Level 0為功能化增材制造過程；Level 1為可預測的增材制造過程；Level 2為自動化的增材制造過程；Level 3為全自動化的增材制造（包括前處理與后處理）；Level 4為集成化的全自動化不同制造工藝的組合［1］。當前，世界范圍內增材制造的發展大多還處在Level 0的水平。

汽車生產需要高度的自動化、高效率、低成本、質量一致性，這似乎與3D打印當前的發展水平存在不少“鴻溝”。因此，3D打印在汽車制造方面的發展現狀與未來趨勢需要結合3D打印技術的特點來理解。

根據ACAM亞琛中心研究可知，一方面，3D打印改變了制造邏輯。通常對于同一個產品來說，通過傳統制造技術生產的數量越多，產品的單件成本也隨之呈下降趨勢；而對于增材制造來說，單件成本與產量的相關性是獨立的，這是在考慮可擴展性時需要考慮的因素。另一方面，關于產品的復雜性。通常在通過傳統制造技術來生產零件時，產品越復雜，成本越高，企業則需要很昂貴的投資（包括新的模具，甚至是新的設備來實現）；而對于增材制造來說，零件的復雜性與成本的相關性也是獨立的，零件幾何形狀的復雜性通常并不會帶來額外的制造成本。

對于汽車來說，雖然汽車生產向更小批次的趨勢發展，但當前3D打印技術與汽車的結合點并非是3D打印技術的成本與產量的相關性是獨立的這方面因素，而是3D打印技術成就更復雜的產品。

在金屬3D打印領域降低零件成本方面，以粘結劑噴射金屬3D打印技術為代表的間接金屬3D打印技術，以高速、低成本獲得了業界的高度關注。大眾采用的惠普金屬3D打印技術正是粘結劑噴射金屬3D打印技術。

粘結劑噴射金屬3D打印技術，從生產效率、經濟性的角度充分滿足了汽車面向量產的應用要求。而可打印材料的豐富多樣（從金屬到陶瓷，金屬與金屬的復合材料，陶瓷與金屬的復合材料等），使得粘結劑噴射金屬3D打印技術的適用場景得到了進一步的延伸［2］。

除了汽車上用的鋁合金和銅合金，目前適合粘結劑金屬3D打印技術的鋼材料包括：17-4PH不銹鋼、304L不銹鋼、316L不銹鋼、M2工具鋼、H13工具鋼，還包括4140不銹鋼、420不銹鋼、4340不銹鋼、4605不銹鋼等正在開發的材料［3］。

此外，塑料3D打印及碳纖維復合材料3D打印發展迅速，豐富了汽車3D打印的技術選擇。

3 車企應用案例

汽車行業需要利用3D打印技術的具體優勢來提升產品設計，然而要想將3D打印用于具體的汽車零部件生產，需要突破的一大挑戰是經濟性。目前，用于3D打印的汽車零部件大多數是小批量的十幾個，要增加到汽車行業普遍所需要的高達100萬的產量，3D打印必須要突破經濟性的障礙。

下面將通過介紹3D打印技術在大眾、福特、寶馬等企業的最新應用進展，來探究3D打印技術在新能源汽車領域的應用現狀和發展趨勢。

3.1 大眾

大眾在2019年就發布了將在大眾汽車上使用惠普金屬3D打印技術的計劃，首先是進行大規模定制和裝飾部件的制造，并盡快將惠普的HP Metal Jet金屬3D打印的結構部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術要求。

大眾的目標是每年制造5～10萬個足球大小尺寸的零件，這些零件可能包括變速桿和后視鏡支架等。增材制造因其在輕量化方面的優勢而在不斷增長的電動汽車生產領域中獲得部署。目前，大眾成立了加州創新與工程中心（IECC），推出了一款集成 3D 打印的獨特概念車，并很快宣布與 GKN 和惠普一起在HP Metal Jet上生產了 10000 個金屬零件（見圖1）。正是這一里程碑為大眾與惠普繼續合作，并為大眾的3D打印結構部件集成到其下一代汽車中鋪平了道路［4］。

金屬粘結劑噴射3D打印技術將推動大眾制造中3D打印技術邁向成熟，從而使該技術具有成本效益。為了利用粘結劑噴射的優勢，大眾正在擴大與惠普的合作伙伴關系，以布局更多產能，并引入西門子為該技術提供專門的軟件。

通過西門子的自動化和軟件解決方案，大眾將能夠更快、更靈活、使用更少的資源來開發和生產零部件。到目前為止，使用粘結劑噴射制造的第一批汽車零部件已送往大眾的奧斯納布呂克工廠進行認證。該零件用于大眾T-Roc敞篷車的 A 柱，據相關資料顯示，其重量是由鋼板制成的傳統部件的一半。

3.2 福特

福特在2021年宣布，計劃在規模化汽車制造中采用3D打印技術。福特之前在3D打印技術方面取得了一定程度的成功，不過當時僅涉及較低的產量。但福特現在的技術遠不止于小批量的3D打印生產應用，其正在開發的3D打印零部件將用于福特“非常受歡迎的車型”的全面生產。

福特用于粘結劑噴射金屬3D打印的粉末是Al6061，而成功將鋁應用于汽車零部件3D打印生產的意義是重大的：從傳統制造工藝到3D打印工藝的轉變將通過簡化設計來減輕重量、節省空間、提高零部件性能，以及節省成本和時間。

針對3D打印下一代電動機，福特還與蒂森克虜伯、亞琛工業大學組成聯盟開始了一項研究，以開發下一代電動汽車靈活、可持續的生產工藝。目前，開發的項目名稱是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。該過程比傳統的繞線電動機更易于自動化，并且在汽車領域特別受歡迎，因為它可以大大縮短制造時間。

電動汽車的電動機定子繞組的開發通常是眾所周知的瓶頸，經典的圓線繞組有許多限制：銅導體、繞組工藝與槽口幾何形狀必須匹配；彼此纏繞的導體形成牢固的圖案；此外，圓形導線（經典的導體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳，結果每個凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導體橫截面可確保較大的電熱損耗。

3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發障礙。由于傳統的生產涉及復雜的彎曲和焊接過程，所以3D打印帶來的時間節省，尤其是在所謂的發夾繞組上得到了回報。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨特的優勢。目前，市場上熟知的L-PBF選區激光金屬熔化3D打印，以及粘結劑噴射金屬3D打印，均是最為主要的應用技術。

通過3D打印電動機銅線圈繞組，改變一百多年來的電動機線圈設計思路。傳統工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電動機定子、轉子空間內很難展現最優設計，而3D打印將帶來一定的改變。

3.3寶馬

寶馬于2019年3月在慕尼黑舉行了IDAM聯合項目啟動會議，旨在為增材制造業進入汽車系列生產鋪平道路。IDAM的目標是推動“汽車領域增材制造（AM）技術的工業化和數字化”。IDAM的目標是建立兩條試驗線，一條在GKN的波恩工廠，另一條在寶馬集團的慕尼黑工廠。IDAM團隊促使增材制造技術向符合特定要求的方向發展，以生產質量一致的零部件以及基于特定組件的個別備品備件。目標是每年采用3D打印技術制造至少50000個批量生產的零部件和10000多個備品備件。IDAM試生產線包含一個開放式體系結構，可適用于任何LPBF系統（選區激光金屬熔化3D打印技術）［5］。

2020年，寶馬投資1500萬歐元（超1億元人民幣）的慕尼黑3D打印工廠正式啟動，這奠定了寶馬集團在汽車行業增材制造技術領域的領先地位。

在德國IDAM計劃支持下，寶馬慕尼黑的3D打印工廠還建設了模塊化和幾乎完全自動化的3D打印生產線。該生產線涵蓋了從數字化設計到零部件3D打印制造再到后處理的整個過程。由于生產線的模塊化結構，必要時可以升級換代，所以各個模塊可以適應不同的生產要求，還可以靈活地控制工藝步驟。通過綜合考慮融入汽車生產線的要求，項目合作伙伴計劃將流程鏈中的手工部分從目前的約35%減少為不到5%。與此同時，3D打印金屬零部件的單位成本應該減半。

以上案例說明，目前很多新設計盡管還沒有進入產業化，仍處于初始階段，但如果制造企業不盡早做出準備，并進行備品備件及原型的創新，從創新思維的設計入手，那么這些企業將被其他企業超越，并會很快發現自己已經處于競爭劣勢。

4 顛覆性創新潛力——電動機

新能源汽車領域，尤其值得重視的是3D打印技術在電動機領域的應用潛力。

根據中國機電產品進出口商會研究可知，盡管2021年的全球疫情導致了國際海運、原材料價格大幅波動，以及電力供應緊張等多重困難，但我國電動機行業以完整的供應鏈、龐大產能、效率與價格優勢，仍展現出較強的行業韌性與活力，電動機產品出口總額突破200億美元，創歷年新高，取得驕人的成績。

在全球“凈零”目標下，電動機行業朝節能減排、綠色方向發展將是必由之路。2021年，工信部、市場監管總局聯合發布《電機能效提升計劃（2021—2023年）》，明確提出到2023年高效節能電動機產量達到1.7億kW，在役高效節能電動機占比達到20%以上。擴大高效節能電動機綠色供給、拓展高效節能電動機產業鏈、加快高效節能電動機推廣應用，以及推進電動機系統智能化、數字化提升，將是“十四五”時期重點工作，其中電動機能效提升將是大勢所趨。2021年，我國電動機產品出口最主要的品類依然為中小型電動機，同時大電動機、微電動機、發電機組等出口額同比均實現兩位數增長。

無論是在工業領域還是交通領域，未來的驅動任務都對各個組件提出了很高的要求。一方面基于傳統的制造工藝，優化的幾何形狀通常是不可能的，結果是設計者只能在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動機的經典制造工藝已經達到了極限。另一方面，隨著增材制造技術日趨成熟，盡管目前與傳統生產方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統在生產具有非常規拓撲優化（TO-Topology Optimization） 結構或小批量零件時會大放異彩，這為電動機的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。

新能源汽車所用電動機包括直流電動機、感應電動機、永磁同步電動機及開關磁阻電動機等。當前，永磁同步電動機系統正在成為新能源汽車的電動機主流，這類電動機具有高功率密度、寬調速范圍等優勢，未來新能源汽車驅動用電動機系統正朝著永磁化、數字化和集成化的方向發展。

當前，世界上的電動機研發團隊已將大量精力轉移到將增材制造系統集成于電動機生產周期中，以實施更強大、更高效地拓撲優化下一代電動機。根據3D科學谷的市場研究結果，3D打印電動機似乎只是時間問題。預測在未來幾年內，原型拓撲優化電動機組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動機繞組、熱交換器和同步轉子上。

與3D打印電動機繞組相比，當前增材制造永磁體的技術還處于不成熟階段，主要的局限性體現在功率密度低且磁化能力有限。目前，3D打印軟磁鋼的技術成熟度介于前兩者之間，一方面表現出與傳統無取向鋼相當的直流磁性；另一方面，在交流應用中存在高渦流損耗。

到目前為止，3D打印的永磁樣品表現出相對較高的矯頑力：在大多數研究中達到 700～800kJ/m。這可歸因于增材制造材料固有的有限顆粒結構和高結構雜質含量。除了NdFeB，其他硬磁化合物的3D打印不太常見，包括 ALNiCo、SmCo和鐵氧體磁體的一些實例［6］。

3D打印永磁樣品存在以下兩方面的技術挑戰。

1）廣泛采用的基于擠壓的增材制造方法為實現復雜零件幾何形狀提供了較少的機會。這是由于3D打印后燒結過程中存在的顯著收縮和機械不穩定性。

2）在打印復雜形狀的永磁體同時，還必須設計一種磁化過程，以便在材料上賦予必要的三維磁化圖案。在理想情況下，這個過程將在3D打印中原位進行，但由于涉及到強磁場，所以會遇到無數的技術挑戰。

新材料的開發及其通過下一代生產方法進行的工業集成對電動機的整體性能產生了最顯著的影響。當前的材料表現出有限的電磁特性，磁性材料的飽和磁通密度和繞組材料的電導率在過去一個世紀中一直保持不變，有幸的是，在新型3D打印技術中已經提出了電動機發展停滯的可能解決方案。增材制造可以從一個新的角度創造新的電動機設計思路，尤其是將拓撲優化應用到電動機的零部件設計上。

增材制造將在電動機的設計中引入了全新的設計規則，因為增材制造的成本與批量大小以及產品設計的復雜性并不相關，這意味著電動機的電磁和熱優化有更多機會，因為磁通路徑和導體可以根據設計要求進行三維形狀構建，并且設計中集成了更有效的無源或有源熱交換器。

值得注意的是，除了直接采取3D打印技術來制造電動機零部件，還可以采取3D打印鑄造模具+鑄造的方式來發揮3D打印成就更復雜設計的價值，3D砂型打印的優點是能夠設計高度復雜的零件，而無需從頭準備昂貴的模具。另外，隨著增材制造提供了獨特設計的可能性，全新的設計應運而生。而對于3D打印砂型的應用來說，增材制造允許最終用戶在制造生產模具之前徹底檢查并廣泛測試新設計的組件，這樣可以節省大量的前期開模時間和費用。

3D 打印電動機的主要挑戰與3D打印設備系統的應用限制和生產電動機的技術要求有關。3D打印的電動機零部件必須滿足嚴格的公差要求，涉及電動機的材料是用于繞組的導電抗磁材料、軟鐵磁材料等。

對于電動機領域的增材制造導電材料，首選的研究材料是高純度銅。此外，一些鋁合金（主要是 AlSi10Mg）和銅合金（CuCrZr、CuNiSi、Cu10Zn、CuCr、CuSn0.3）也被應用于研究中，但是合金的代價是導電率稍低。

釹基合金是研究最多的3D打印硬磁材料，其中NdFeB 基永磁合金 （PM） 備受關注，這可能是由于其高磁晶各向異性和鑭系元素原子（例如 Sm、Nd）的異常高磁矩，這意味著即使在磁體中硬磁相的填充因子相對較低的情況下，也可以實現更高的功率密度。當然還有其他常見的硬磁材料，包括3D打印AlNiCo 和 SmCo 等。

推動3D打印用于新電力驅動的前沿研究正在形成多個發展趨勢：第一種趨勢的代表案例是福特攜手亞琛工業大學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；第二種趨勢的代表案例是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為經濟的打印方式所實現的新型電動機零部件的生產，其聚焦點是絲網打印或粘結劑噴射金屬3D打印；第三種趨勢的代表案例是英國制造技術中心MTC所致力的完全3D打印的電動機，其聚焦點是產品重新設計；第四種趨勢的代表案例是保時捷與GKN所合作的Connactive 項目，其聚焦點是新材料與新設計的結合。

對于電磁材料的增材制造，4種類型的3D打印系統使用最多，包括粉末床熔化金屬3D打印系統（電子束EB-PBF 和激光L-PBF熔化）、粘結劑噴射金屬3D打印、定向能量沉積 （DED） 金屬3D打印和各種類似的基于擠出的方法，最常見的是熔融沉積建模（FDM）。

越來越可靠的絕緣材料、更有效的電導體和磁導體、新的永磁合金以及具有成本效益的制造和加工方法，這些因素的配合使最終消費者可以獲得更強大和更復雜的電動機設計。

如果說電動機對于新能源汽車的重要性相當于發動機對于燃油車的重要性，那么電池對新能源汽車的重要性則相當于汽油。無疑，另一個值得關注的3D打印在新能源汽車制造領域的應用是3D打印電池。

5 顛覆性創新潛力——電池

近期內3D 打印電池的進步表明，未來可能會出現更便宜、能量密度更高的電池，這些電池可以根據應用和形狀進行定制。

3D打印電池的想法并不是全新的，實際上是由哈佛大學 Jennifer A. Lewis 領導的團隊于 2013 年提出的。他們創造了一個定制的打印機和特殊的陽極和陰極墨水來生產鋰離子電池，但它只有一粒砂子那么大。

3D打印電池技術發展至今，不僅在“大局”上有不同之處，在最小的微米和納米級別上也有所不同。在納米級別，3D打印技術對電池電極的結構產生了很大影響，這就是能量密度增加的原因。長期以來，“多孔”電極可以提高能量密度，而增材制造非常適合該工藝，這意味著電極中的材料可以構建成三維點陣晶格結構。

晶格結構可以為材料內部的電解質有效傳輸提供通道，就鋰離子電池而言，具有多孔結構的電極可以帶來更高的充電容量，這種結構允許鋰穿透電極體積，導致非常高的電極利用率，從而具有更高的能量存儲容量。在普通電池中，總電極體積的30%～50%未被利用，通過使用 3D 打印克服了這個問題。此外，通過創建微晶格電極結構，允許鋰通過整個電極有效傳輸，這也提高了電池充電率。點陣晶格意味著電極有更多的暴露表面積，從而帶來更高效的電池。

目前，市場上黑石技術的3D打印工藝具有明顯的優勢，包括顯著降低成本，提高電池尺寸的生產靈活性，以及使能量密度提高20%。3D打印使得電池架構可以實現復雜幾何形狀，這是朝著電化學能量存儲的幾何優化配置邁出的重要一步。研究人員估計，這項技術將在兩三年內實現工業應用。

6 結束語

總體來說，3D打印將為汽車的結構件、電動機、電池制造等方面帶來一定程度的改變。3D打印技術進入到產業化領域的局限性包括速度、成形尺寸、成本、質量一致性等。未來，3D打印技術的發展將突破當前局限，邁向更高的速度、更好的過程控制，以及更適合的材料應用。隨著3D打印技術的快速發展，其為新能源汽車制造帶來的改變將更加令人耳目一新。

審核編輯 ：李倩