根據3D科學谷的市場觀察，從世界范圍來看，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：一種趨勢是福特攜手亞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通過更為經濟的打印方式所實現的新型電動機零件，其聚焦點是絲網打印或binder jetting粘結劑噴射3D打印；一種趨勢是英國制造技術中心MTC 完全3D打印的電機，其聚焦點是產品重新設計；最后一種趨勢是Connactive 項目或者保時捷與GKN所合作的項目，其聚焦點是新材料與新設計的結合。

▲3D打印銅電機繞組的技術邏輯

?3D科學谷《》

銅的別有洞天

純銅及銅合金由于極好的導電、導熱、耐腐蝕性及韌性等特點，被廣泛應用于電力、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，被廣泛應用于制造航空、航天發動機燃燒室部件。但是隨著應用端對于復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復雜結構零部件，材料利用率高，無需模具等優點，該技術在制備復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面具有巨大的應用潛力。 3D科學谷

▲?D科學谷

/3D打印電動機的快速發展

根據3D科學谷的市場觀察，從世界范圍來看，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：一種趨勢是福特攜手亞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通過更為經濟的打印方式所實現的新型電動機零件，其聚焦點是絲網打印或binder jetting粘結劑噴射3D打印；一種趨勢是英國制造技術中心MTC所致力的完全3D打印的電機，其聚焦點是產品重新設計；最后一種趨勢是Connactive 項目或者保時捷與GKN所合作的項目，其聚焦點是新材料與新設計的結合。

根據3D科學谷的市場觀察，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，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，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科學谷通過對銅在3D打印電動汽車的電動機定子繞組的最新發展，與谷友共同來感知3D打印如何成就電動汽車電驅動關鍵組件。

電動機的最大輸出功率由于其預熱而受到限制，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。繞組的設計在這里起主要作用，因為它是主要的熱源。

經典的圓線繞組有許多限制：銅導體，繞組工藝和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。結果是，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。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨特的優勢。在這方面，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主的應用技術。

▲?exone

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

▲?D科學谷《》

l 商業化3D打印增材制造電動機定子繞組

根據3D科學谷的市場觀察，市場上，德國Additive Drives公司通過3D打印增材制造電動機定子繞組，并有望顯著改善零件性能。

德國Additive Drives公司通過3D打印實現了更高的自由度，通過基于粉末床的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打印所實現的可變的形狀還有利于散熱，因為每條電線都與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科學谷的市場觀察，在定子繞組的3D打印方面，由于節省了纏繞工具，通過3D打印可以經濟地生產多達500臺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值。

根據3D科學谷的市場了解，3D打印的電動機定子繞組目前可以承受的電流極限約為1兆瓦，不過對于商業化前景來說，專注于功率在100 kW左右的功率范圍更為合適，因為這在汽車牽引電機中很常見。

l 產業化3D打印增材制造電動機定子繞組

福特與蒂森克虜伯系統工程，亞琛工業大學DAP學院一起，在一條生產線上開發靈活而可持續的電動機零部件生產。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。該過程比傳統的繞線電機更易于自動化，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。

3D打印適用于快速的原型制造，能夠將測量結果實時反饋到仿真中，從而確保了所需的操作性能并提高了質量保證。HaPiPro2項目正在研究如何進一步開發該方法，以便在單個生產線上高效生產不同型號的電動機。

▲?ACAM亞琛增材制造中心

HaPiPro2項目不僅旨在高效構建高效的電動機，而且還旨在開發生產中的各種靈活性。ACAM研發聯合體成員亞琛工業大學把與面向應用程序研究有關的專業知識帶到整個發夾的生產過程鏈。亞琛工業大學的任務還包括分析因果關系以及在生產計劃中測試數字方法。

福特在2021年2月承諾，到2024年，所有歐洲商用車系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年將完全轉換為純電動汽車。

根據3D科學谷的了解，福特歐洲首款全電動量油汽車將從2023年起在科隆制造，該公司已投資10億美元新建福特科隆電氣化中心，為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 解決方案

根據3D科學谷的了解，Connactive 項目成立于 2019 年，該項目致力于實現高速、高頻和功率密度的 eDrive 解決方案。這種跨公司合作將利用每個成員的不同專業領域，其結果將推動現代電動發動機的發展。

目前，H?gan?s 的金屬粉末用于 Connactive 的第一個項目：雙驅動系統、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。通過合作伙伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，雙驅動系統在六個月內從藍圖變為批量生產標準原型。

目前，根據3D科學谷的了解，該項目的解決性成果預計這將把電驅動帶到一個新的水平，并以最低的總成本加速市場引入。

/銅材料

銅材料方面，根據3D科學谷的市場觀察，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。

在我國增材制造企業中，有研粉末新材料股份有限公司在國內較早開展了增材制造用銅及銅合金粉末的研究與應用，目前已形成較全系列的增材制造專用銅及銅合金粉末產品，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，研制出針對難熔金屬和高導熱、高反射金屬的3D打印工藝，實現了復雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管；長沙新材料產業研究院有限公司等材料企業進行了CuCrZr銅合金3D打印粉末的研發。