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。

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。

圖1 HP Metal Jet 技術生產的汽車零部件

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。

2. 福特

福特在2021年宣布，計劃在規?；囍圃熘胁捎?span>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. 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）。

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. 結語

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。