根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，從世界范圍來看，推動(dòng)3D打印用于新電力驅(qū)動(dòng)的前沿研究正在形成多個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一種趨勢(shì)是福特?cái)y手亞琛工大開發(fā)靈活而可持續(xù)的3D打印電動(dòng)機(jī)零部件，其聚焦點(diǎn)是銅金屬；一種趨勢(shì)是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為經(jīng)濟(jì)的打印方式所實(shí)現(xiàn)的新型電動(dòng)機(jī)零件，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或binder jetting粘結(jié)劑噴射3D打??；一種趨勢(shì)是英國制造技術(shù)中心MTC 完全3D打印的電機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；最后一種趨勢(shì)是Connactive 項(xiàng)目或者保時(shí)捷與GKN所合作的項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計(jì)的結(jié)合。

▲3D打印銅電機(jī)繞組的技術(shù)邏輯

3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書第二版》

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銅的別有洞天

純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于制造航空、航天發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足需求。3D打印技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，材料利用率高，無需模具等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在制備復(fù)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(jī)繞組等零部件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，從世界范圍來看，推動(dòng)3D打印用于新電力驅(qū)動(dòng)的前沿研究正在形成多個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一種趨勢(shì)是福特?cái)y手亞琛工大開發(fā)靈活而可持續(xù)的3D打印電動(dòng)機(jī)零部件，其聚焦點(diǎn)是銅金屬；一種趨勢(shì)是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為經(jīng)濟(jì)的打印方式所實(shí)現(xiàn)的新型電動(dòng)機(jī)零件，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或binder jetting粘結(jié)劑噴射3D打??；一種趨勢(shì)是英國制造技術(shù)中心MTC所致力的完全3D打印的電機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；最后一種趨勢(shì)是Connactive 項(xiàng)目或者保時(shí)捷與GKN所合作的項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計(jì)的結(jié)合。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)定子繞組的開發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發(fā)障礙。由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)涉及復(fù)雜的彎曲和焊接過程，3D打印帶來的時(shí)間節(jié)省尤其是在所謂的發(fā)夾式繞組上得到了回報(bào)。本期，3D科學(xué)谷通過對(duì)銅在3D打印電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)定子繞組的最新發(fā)展，與谷友共同來感知3D打印如何成就電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)關(guān)鍵組件。

電動(dòng)機(jī)的最大輸出功率由于其預(yù)熱而受到限制，例如由于允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個(gè)提高功率限制的杠桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設(shè)計(jì)在這里起主要作用，因?yàn)樗侵饕臒嵩础?/p>

經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：銅導(dǎo)體，繞組工藝和槽口幾何形狀必須匹配。彼此纏繞的導(dǎo)體形成牢固的圖案。此外，圓形導(dǎo)線（經(jīng)典的導(dǎo)體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳。結(jié)果是，每個(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對(duì)較小的導(dǎo)體橫截面可確保較大的電熱損耗。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在這方面，市場(chǎng)上熟知的L-PBF選區(qū)激光金屬熔化3D打印技術(shù)以及Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)是目前最為主的應(yīng)用技術(shù)。

▲exone

其中，粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)方面，ExOne與創(chuàng)新電機(jī)公司Maxxwell合作研發(fā)生產(chǎn)電機(jī)銅線圈繞組，改變一百多年來的電機(jī)線圈設(shè)計(jì)思路。傳統(tǒng)工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空間內(nèi)很難展現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)，3D打印將帶來一定的改變。

▲ 3D科學(xué)谷《銅金屬3D打印白皮書第二版》

l商業(yè)化3D打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，市場(chǎng)上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組，并有望顯著改善零件性能。

德國Additive Drives公司通過3D打印實(shí)現(xiàn)了更高的自由度，通過基于粉末床的SLM選區(qū)金屬3D打印工藝，使得凹槽中的銅含量更大。從物理上講，這意味著匝的最大橫截面和較小的電阻。而通過3D打印所實(shí)現(xiàn)的可變的形狀還有利于散熱，因?yàn)槊織l電線都與線圈的所謂疊片鐵芯熱接觸，因此沒有熱點(diǎn)。

隨著激光器的發(fā)展，3D打印銅的應(yīng)用走向了良性的發(fā)展趨勢(shì)，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節(jié)省了纏繞工具，通過3D打印可以經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)多達(dá)500臺(tái)以下的小批量電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的價(jià)值。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)了解，3D打印的電動(dòng)機(jī)定子繞組目前可以承受的電流極限約為1兆瓦，不過對(duì)于商業(yè)化前景來說，專注于功率在100 kW左右的功率范圍更為合適，因?yàn)檫@在汽車牽引電機(jī)中很常見。

l 產(chǎn)業(yè)化3D打印增材制造電動(dòng)機(jī)定子繞組

福特與蒂森克虜伯系統(tǒng)工程，亞琛工業(yè)大學(xué)DAP學(xué)院一起，在一條生產(chǎn)線上開發(fā)靈活而可持續(xù)的電動(dòng)機(jī)零部件生產(chǎn)。該項(xiàng)目的名稱是HaPiPro2，指的是發(fā)夾技術(shù)。發(fā)夾繞組是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統(tǒng)的繞線電機(jī)更易于自動(dòng)化，并且在汽車領(lǐng)域特別受歡迎，因?yàn)樗梢源蟠罂s短制造時(shí)間。

3D打印適用于快速的原型制造，能夠?qū)y(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)反饋到仿真中，從而確保了所需的操作性能并提高了質(zhì)量保證。HaPiPro2項(xiàng)目正在研究如何進(jìn)一步開發(fā)該方法，以便在單個(gè)生產(chǎn)線上高效生產(chǎn)不同型號(hào)的電動(dòng)機(jī)。