3D打印：从电气化革命中发现设计自由

　　近年来，全球电动汽车市场发展迅猛。下面的一些数据或许能反映出当前的真实情况：2022年第一季度，电动和混合动力车型占法国新车销量的40%，而汽油车型占38.3%。由IEA（国际能源署）发布的Global EV Outlook 2021报告中显示，未来7年内预计将有大约350款新型电动汽车投入到全球汽车市场。到2030年全球几乎80%的新车销售将是电动汽车。

　　增材制造在电动汽车市场发挥积极作用

　　增材制造在电动车发展的历程中究竟扮演着怎样的角色？

　　HP公司解决方案架构师Aaron DeLong表示，“我们可以用工程材料来做并符合材料规格。我们还可以使用有限元分析（FEA）和计算流体力学（CFD）等工具从增材制造方面预测从注塑成型中获得什么。如果我们了解增材制造的材料组，就可以预测增材制造的失效模式是否与注塑件的失效模式一致。”

　　增材制造对电动汽车行业有诸多影响，包括重新设计分流器以优化可扩展电动汽车电池平台的冷却；通过拓扑优化和增材制造的零件将设计时间缩短50%，压降降低47%。优化的零部件和缩短的生产时间都对电动汽车制造商产生重大影响。

　　如果汽车的未来是电动，那么电动的未来就是无限的乘客体验。重新思考乘客体验，电动汽车通常建立在一个被称为滑板底盘的平板平台上，该底盘装有电池和电机。“电动传动系统正朝着标准化的方向发展，但这并不意味着所有电动汽车看起来都一样，甚至可以满足同样的需求。当然，标准化的优点就是成本低、质量高，以及大规模生产带来的一切，但这也是相对模块化的，稍微改变平台架构就可以在上面构建不同类型的车辆。相对来说，电动汽车比传统汽车更容易做到这一点，因为电动汽车面临的包装问题更少，总体设计也不受工程驱动。”Autodesk制造平台战略主管Alex Stern说道。

　　尽管广泛的自动驾驶技术目前还没有大规模的应用，但具有前瞻性的汽车制造商正在考虑驾驶员可以在自动驾驶模式下做一些其他事情。Stern将未来的驾驶座比作飞机上的商务舱座椅，将车辆比作车轮上的智能手机。传统的车辆设计，将无法满足和解决未来更多的功能需求。他预测，在自动驾驶电动汽车方面，由于拥有巨大的内饰定制潜力，大批量生产可能会落后于小批量生产。在这样的背景下，一个由自动化和3D打印技术组成的灵活工厂与传统的汽车装配线相比更具优势。

　　铝基增材制造工艺适应轻量化趋势

　　随着市场对电动汽车需求的增加，对铝等坚固、轻质材料的需求也大幅提升。与此同时，制造商们通过3D打印制造包括复杂的几何形状、随形冷却通道和无需模具的零部件。但铝的材料特性尤其是6061等合金，使用粉末床工艺很难打印。

　　选择性扩散粘合是一种基于板材的工艺，可使用新型铝原料。依靠铝箔轧制工艺可得到的材料，成本是铝粉的1/25。使用轧制铝消除了烘烤、筛分和去粉等步骤，没有金属粉末固有的危险。加工过程不需要防护设备，如呼吸器或特殊存储，也没有材料爆炸的风险。选择性扩散粘合涉及的一种设备被称为“构造”，它将材料薄片分开，并用激光切割零件的轮廓。“因为不需要逐个像素扫描整个区域，只是勾勒出轮廓，该工艺具有速度优势。然后，机器将抑制剂应用于材料的某些区域，防止材料层粘合，从而形成支撑、悬垂和其他复杂的几何形状。”哈佛大学工程学博士Forsyth指出。

　　“构造”设备在扫描每层的过程中进行检测，降低了公司产品的故障率，使其能够在开发和改进工艺的过程中取得快速进展。在这台设备中，除了涂有抑制剂的区域外，零件经过扩散粘合工艺将材料片熔合在一起。在扩散粘合过程中，片材堆叠成为一块材料，其中的零件水平和垂直嵌套在内部，然后支撑材料会脱落，露出零件。由此产生的零件是均质的6061铝，其强度和断裂伸长率比铸造材料更好。断开的支架由相同的6061材料制成，具有回收价值。

　　Forsyth表示，打印零件表面光洁度得到了客户的良好反馈。与其他制造方法相比，选择性扩散粘合需要考虑的因素更少。只要零件是可浇铸的并且在机器的制造体积内，Alloy 公司就可以生产它，同时包括铸件所无法实现的复杂几何形状和冷却通道。

　　3D打印技术如何节省维修成本？

　　迅速地管理维修和尽快使资产重新投入使用对企业是至关重要的。在发生故障或者维修的事件中，传统上，受影响有问题的零配件会被拿走并送回制造商进行维修。就涡轮机而言，一台就重达上百吨，那就意味着送到制造商那里是非常复杂并且费时的操作。这些涉及到先进的检测，对于涡流检测，使用机械化系统进行无损检测（ET），相控阵超声检测（PAUT），材料研究可以采用复型技术，利用小型冲孔测试和移动加工机器人进行小样本调查。然而，一些公司更创新的解决方案包括机械化电镀系统，原位涂层和微激光焊接，以及被西门子能源组称为“开箱即用”的机器人增材制造的方法（AM）。

　　西门子能源的增材制造现场维修服务，或简称“ADDMORE”，提供的先进制造技术通常从制造商车间直接到发电厂是可行的。这项服务对操作工人得到电力尽快重新运作是至关重要的。通过建立一层一层的关系，增材制造在塑型上提供了巨大的灵活性。西门子能源组在其现场维修中使用了多种的增材制造方法，包括电弧增材制造（WAAM）。增材制造用于制造例如转子、电机壳、定子零件等动力系统的零部件是特别合适的，因为它能够构建接近最终产品的轮廓。而机加工能提供的是高精度功能尺寸的加工。

　　相比其它焊接工艺，激光金属沉积的质量和精准度特别高，但其所用的材料有一些不能应用在焊接领域。这项技术主要用于维修配件，但是它也会优化零件对抗腐蚀和磨损的性能。与传统的焊接技术相比，西门子能源的“开箱即用3D打印技术”使用移动机器人系统作为增材的一个新的选项，使一些大小组件可以在现场被维修。这项系统由自动操作装置、粉末激光设备和一个控制系统组成。电池被运送到现场，与移动激光保护系统一起被组装，经过校准，并在短时间内工作。通过自动化机器人激光系统应用，材料应用的速度和准确性可以显著提高，因为它具有处理几乎所有几何体和尺寸的灵活性。

　　西门子能源的现场维修的目标是促进缩短维修时间，降低成本，延长检修服务的间隔，并且增强机器和零配件的可用性。这样做是为了节省珍贵的运输时间。当零配件不再可用时，或者对恢复部件原始状态至关重要时，现场维修方法是很关键的。

　　结语

　　近日， SmarTech Analysis发布了最新报告《2022年生产的金属零件：全球市场数据与预测》，预计未来几年，全球金属增材制造零件市场将出现增长，预计到2031年，将每年生产超过750亿美元的组件，这些将由金属增材制造技术完成。

　　当然，电动汽车中的增材制造技术的应用不局限在金属材料，非金属材料也有其独特的用武之地，例如坚韧灵活的热固性聚氨酯。相信未来，增材制造会成为推动电动汽车发展的一大颠覆性技术，加速汽车电气化时间表的推进。

　　（编译自 Additive Manufacturing）