3D打印金属部件在电动汽车上的应用

导读：随着 3D 打印进入电动汽车（EV） 市场，交通运输行业或将迎来一场大的变革。与传统汽车行业和其他交通领域相比，电动汽车 （EV） 制造商似乎更容易在生产过程中引入增材制造 （AM） 技术，这是因为增材制造带来的众多功能和复杂几何形状成形的诸多可能性。

在汽车行业，对于那些真正的大众市场汽车、内燃机等已经生产了很长时间的东西，汽车制造商已经建立了非常完善的供应链，他们知道在哪里可以获得冲压件、注塑件或铸件，所以增材制造技术难以打进传统汽车制造的市场。

电动汽车（EV）行业则代表了一个新的机遇平台，它摆脱了内燃机、发动机、油箱等传统汽车零部件的制约，你更多需要考虑的是像大型电池组的冷却系统一类的东西。因此，增材制造在电动汽车领域开始看起来更具吸引力，也提供了更多的发展空间。当你试图扩大这些车辆的续航里程时，轻量化变得非常重要，而且你可能不会被那些传统的供应链所束缚。另一个有趣的事情是，电动汽车市场上也有很多初创公司进入这个市场，它们也并没有任何传统燃油汽车的制造经验。

3D打印金属部件在电动汽车上的应用

金属 3D 打印汽车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，通用汽车与 AutoDesk 合作开发了这种生成式设计的金属 3D 打印座椅支架，它的重量减轻了 40%，强度提高了 20%，并且将八件式组件整合为一个零件。

保时捷工厂车手和赛车队创始人罗曼杜马斯在达喀尔汽车拉力赛上驾驶的汽车上也有用到3D打印零件，他们让 AddUp 的子公司 Polyshape 3D 打印汽车的一些零件。他们有一个 3D 打印的杠杆，其质量比原来的少 60%。由于 3D 打印设计，他们能够将电缆嵌入杠杆中进行一些组装整合。他们还 3D 打印了汽车的踏板，因此它们也更轻，比原件轻 42%。他们所做的另一件有趣的事情是，他们使最常用的踏板刹车比其他两个踏板更坚固，并且他们还放置了一个特殊的表面 3D 打印表面，可以增加踏板和驾驶员脚部之间的抓地力，以防止滑倒。最后一个部分是 3D打印的排气球接头，可防止排气管波纹管在比赛中破裂或着火。

△保时捷原型电驱动电机外壳采用选择性激光熔化铝合金制成。图片来源：保时捷

越野摩托车制造商Cobra Moto今年发布了他们的第一辆电动自行车，他们有一台金属打印机，最近又添加了一台 Multi Jet Fusion 打印机。该公司的电动自行车看起来与前几代的自行车很相似，只是上面的部件由3D 打印制造。越野摩托车上的油箱被3D 打印的空气分流器替代，它被用来引导空气来冷却电机。这款车型上面还有各种其他 Multi Jet Fusion 部件。

3D打印固态电池与电动汽车

Sakuu 公司是一家从事3D打印电池开发的公司，他们正在开发用于固态电池的 3D 打印平台，用于代替锂离子电池。现在锂离子电池是电动汽车中最常见的电池类型，但它们也有一些缺点，主要问题是它们的液体电解质如果损坏或过热容易着火，所以很明显一个安全问题。因为这些电池存在这种风险，所以它们周围有这些安全系统来降低风险，这在已经很重的电池之上增加了额外的重量。事实上，锂离子电池需要相当大的数量才能为整辆汽车供电。因此，固态电池是可能的，它使用固体电解质而不是液体，但事实证明它们很难制造。

Sakuu 营销和业务发展副总裁戴夫·彼得森 （Dave Peterson） 将固态电池描述为三明治或夹层蛋糕，阳极和阴极之间有固体电解质。但挑战在于使用的是非常薄的材料，如20 或 30 微米厚。而且你很难知道，处理它并确保你知道的表面正在接口并且它们正确接触。所以，Sakuu 正在开发一个平台，该平台可以 3D 打印固态电池并构建它们，以便所有层都能正确连接，而且您不需要处理薄薄的材料。为了做到这一点，他们开发了一种名为Kavian的多材料、多工艺 3D 打印平台。它结合了用于更大区域的粘合剂喷射型工艺，然后是用于更精细细节的材料喷射。它可以在单层中制作一大堆材料，如陶瓷、玻璃、金属和聚合物。最大的挑战之一是材料兼容性。公司必须做很多工作来确保所有材料从印刷到烧结都可以协同工作。好处之一是将所有这些流程组合到一个平台中可以加快生产速度，特别是因为它们可以同时并行运行一些流程。因此，这对于汽车行业的大批量生产至关重要。而这一切仍在开发中。而且我还认为，看看这个平台除了电池还能用于什么方面会很有趣，因为它是多工艺、多材料、3D 打印，并且有很多广泛的应用。

photocentric公司是另一家从事于3D 打印电池开发的公司，他们专注于数字光处理（DLP）技术。该公司通过使用特殊树脂与粉末状电极材料混合，从而进行打印。你可以制造一个可能与现有电池大小相同的电池，但它的功率更大，范围更广。3D 打印汽车电池的另一件挑战是这些电池组占用了大量空间。如果可以通过 3D 打印制作它，可以造出不同的形状，或者它的配置方式可以为货物或腿部空间留出更多空间。

△传统的电池电极是通过需要工具的工艺制成的。3D 打印电极的能力开启了新的电池和电池组几何形状，以及更好的能量密度和性能。图片来源：Photocentric公司

增材制造和电动汽车的未来发展趋势

Extol公司是一家位于密歇根州西部的汽车制造商，致力于推动3D打印在电动汽车行业的应用是他们公司服务的重要组成部分。谈及3D打印在汽车零部件的制造方面，该公司的高级应用和销售工程师 Andrew Roderick 评论说：“车辆设计周期变得越来越快、越来越短。就像过去汽车制造商可能需要四年时间来设计和发布一辆新车一样，现在这个周期缩短到两年左右，这就是电动汽车的发展模式。”

随着电动汽车的发展，对铝合金零部件的需求也大幅度增加。AlloyEnterprises 公司开发了一种名为选择性扩散粘合的工艺，这是一种铝片层压形式。铝合金材料既坚固又轻巧，它的强度重量比是钢的两倍，而且无限可回收，非常适合汽车零部件的制造。但就铝的增材制造而言，并没有真正的工艺专为铝材设计。所以他们开始研究这个问题，他们决定放弃铝粉打印的模式，并发明了这种新颖的铝原料，使用与铝箔和汽水罐相同的铝轧制工艺。Alloy Enterprises 公司采用这种原料，进行激光切割，在材料的某些区域涂抹抑制剂以形成支撑物，将片材堆叠起来，粘合它们，然后去除支撑物取出零件。该工艺可广泛应用于电动汽车部件制作上，如外壳、电子设备、带有冷却通道的部件和边缘模块化部件。

为了更进一步地接触到汽车客户，GKN Additive公司在靠近底特律地密歇根州奥本山开设了一个新工厂，该设施所做的大部分工作就是增材制造电动汽车零件。GKN 是一家拥有非常悠久的金属零件生产历史的公司，主要是冲压和烧结以及 MIM、金属注塑成型，但几年前，他们收购了位于加利福尼亚的 Forecast 3D，例如，拥有大量 HP Multi Jet Fusion 打印机的合同制造商或服务机构，所以他们非常了解聚合物增材制造。

增材制造拥有缩短制造周期、一体化定制的制造能力，也许它进入传统汽车市场确实会受到一定的限制。但是南极熊认为，增材制造在电动汽车领域将会开启无限的可能性。未来，它不仅会改变制造座椅支架和电池的生产方式，也将改变这些车辆制造零件模式，以及制造的车辆类型。

审核编辑 ：李倩