洞察铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展
从世界范围来看，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC 完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。
3D打印铜电机绕组的技术逻辑
铜的别有洞天
纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域，有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度，被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多，传统加工工艺已逐渐无法满足需求。3D打印技术具有可成形复杂结构零部件，材料利用率高，无需模具等优点，该技术在制备复杂功能集成的纯铜或铜合金散热器与热交换器、尾喷管、电机绕组等零部件方面具有巨大的应用潜力。
3D打印电动机的快速发展
从世界范围来看，推动3D打印用于新电力驱动的前沿研究正在形成多个发展趋势：一种趋势是福特携手亚琛工大开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点是铜金属；一种趋势是Fraunhofer IFAM或者是exone通过更为经济的打印方式所实现的新型电动机零件，其聚焦点是丝网打印或binder jetting粘结剂喷射3D打印；一种趋势是英国制造技术中心MTC所致力的完全3D打印的电机，其聚焦点是产品重新设计；最后一种趋势是Connactive 项目或者保时捷与GKN所合作的项目，其聚焦点是新材料与新设计的结合。
电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，3D打印带来的时间节省尤其是在所谓的发夹式绕组上得到了回报。本期，通过对铜在3D打印电动汽车的电动机定子绕组的最新发展，与谷友共同来感知3D打印如何成就电动汽车电驱动关键组件。
电动机的最大输出功率由于其预热而受到限制，例如由于允许的绕组温度而受到限制。通常有两个提高功率限制的杠杆：首先，以相同的功率减少损耗，其次，改善散热。绕组的设计在这里起主要作用，因为它是主要的热源。经典的圆线绕组有许多限制：铜导体，绕组工艺和槽口几何形状必须匹配。彼此缠绕的导体形成牢固的图案。此外，圆形导线（经典的导体形状）在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳。结果是，每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。
让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。在这方面，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印技术以及Binder Jetting粘结剂喷射金属3D打印技术是目前最为主的应用技术。
© exone
其中，粘结剂喷射金属3D打印技术方面，ExOne与创新电机公司Maxxwell合作研发生产电机铜线圈绕组，改变一百多年来的电机线圈设计思路。传统工艺的铜丝或者铜片，在狭小的电机定子、转子空间内很难展现最优设计，3D打印将带来一定的改变。
© 3D科学谷《铜金属3D打印白皮书第二版》
l 商业化3D打印增材制造电动机定子绕组
根据3D科学谷的市场观察，市场上，德国Additive Drives公司通过3D打印增材制造电动机定子绕组，并有望显着改善零件性能。
德国Additive Drives公司通过3D打印实现了更高的自由度，通过基于粉末床的SLM选区金属3D打印工艺，使得凹槽中的铜含量更大。从物理上讲，这意味着匝的最大横截面和较小的电阻。而通过3D打印所实现的可变的形状还有利于散热，因为每条电线都与线圈的所谓叠片铁芯热接触，因此没有热点。
随着激光器的发展，3D打印铜的应用走向了良性的发展趋势，根据3D科学谷的市场观察，在定子绕组的3D打印方面，由于节省了缠绕工具，通过3D打印可以经济地生产多达500台以下的小批量电动机定子绕组。更低的线束电阻，更少的损耗，更短的绕组头，所有这些都增加了电动机的价值。
根据3D科学谷的市场了解，3D打印的电动机定子绕组目前可以承受的电流极限约为1兆瓦，不过对于商业化前景来说，专注于功率在100 kW左右的功率范围更为合适，因为这在汽车牵引电机中很常见。
l 产业化3D打印增材制造电动机定子绕组
福特与蒂森克虏伯系统工程，亚琛工业大学DAP学院一起，在一条生产线上开发灵活而可持续的电动机零部件生产。该项目的名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。
3D打印适用于快速的原型制造，能够将测量结果实时反馈到仿真中，从而确保了所需的操作性能并提高了质量保证。HaPiPro2项目正在研究如何进一步开发该方法，以便在单个生产线上高效生产不同型号的电动机。
© ACAM亚琛增材制造中心
HaPiPro2项目不仅旨在高效构建高效的电动机，而且还旨在开发生产中的各种灵活性。ACAM研发联合体成员亚琛工业大学把与面向应用程序研究有关的专业知识带到整个发夹的生产过程链。亚琛工业大学的任务还包括分析因果关系以及在生产计划中测试数字方法。
福特在2021年2月承诺，到2024年，所有欧洲商用车系列将提供全电动版本或带插电式混合动力驱动的版本。福特预计，到2030年，全电动车型或插电式混合动力汽车将实现三分之二的商用车销量。到2026年中，所有欧洲福特乘用车都将提供电动版本，到2030年将完全转换为纯电动汽车。福特欧洲首款全电动量油汽车将从2023年起在科隆制造，该公司已投资10亿美元新建福特科隆电气化中心，为过渡到纯电动汽车的未来创造了条件。
l 高速、高频和功率密度的 eDrive 解决方案
Connactive 项目成立于 2019 年，该项目致力于实现高速、高频和功率密度的 eDrive 解决方案。这种跨公司合作将利用每个成员的不同专业领域，其结果将推动现代电动发动机的发展。目前，Höganäs 的金属粉末用于 Connactive 的第一个项目：双驱动系统、动力分流行星齿轮组和匹配的 RX II 单元，结合高扭矩 AX 电机和高度集成的电子设备。通过合作伙伴公司 Dontyne Gears、Moteg 和 Vishay 的合作能力，双驱动系统在六个月内从蓝图变为批量生产标准原型。
目前，该项目的解决性成果预计这将把电驱动带到一个新的水平，并以最低的总成本加速市场引入。
铜材料
铜材料方面，除了纯铜，以及CuNi2SiCr 铜合金粉末材料，已投入应用的典型3D打印铜合金粉末材料还包括NASA（美国国家航空航天局）开发的高强度，高导电率的铜基合金GRCop-42， GKN 公司开发的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司开发的CuSn10和CuSn8等。在我国增材制造企业中，有研粉末新材料股份有限公司在国内较早开展了增材制造用铜及铜合金粉末的研究与应用，目前已形成较全系列的增材制造专用铜及铜合金粉末产品，包括纯Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等。
西安铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展，研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管；长沙新材料产业研究院有限公司等材料企业进行了CuCrZr铜合金3D打印粉末的研发。
德国企业德怡科技（太仓）有限公司提供低激光反射率的铜粉，适用于L-PBF激光粉末床金属3D打印工艺。
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