5年6倍速的增長！面對電動車革命性的量變，3D打印你準(zhǔn)備好了嗎？

電動車的市場正在迎來量變到質(zhì)量的飛躍，根據(jù)亞琛大學(xué)的預(yù)測，電動車的年產(chǎn)量2020年有望發(fā)展到410萬臺（約占4%的汽車市場），2025年達到2490萬臺（約占22%的汽車市場），2030年則達到5040萬臺（約占42%的汽車市場）。但是從2020年到2025年這5年來說，增量將是6倍。這… …是個驚人的數(shù)字！

正如KK在《新經(jīng)濟新規(guī)則》中指出的，在新經(jīng)濟波濤洶涌，快速變化的環(huán)境中，只有反應(yīng)敏捷、順應(yīng)變化、行動快速的公司才能成功。快速走向新路途只解決一半問題，快速放棄舊成功解決另外重要的一半。

電動汽車
電動汽車是高科技綜合性產(chǎn)品，除電池、電動機外，車體本身也包含很多高新技術(shù)，有些節(jié)能措施比提高電池儲能能力還易于實現(xiàn)。電動汽車需要全新車身結(jié)構(gòu)，而決不僅僅是由電動驅(qū)動系統(tǒng)代替內(nèi)燃機。汽車的電動化要求對整個車身進行大范圍的改進，因為電動驅(qū)動組件對結(jié)構(gòu)空間有全新的要求。

對于電動汽車而言，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)設(shè)計意義重大。因為除電池電量外，汽車重量也是行駛距離的一個限制性因素。車輛越輕，允許裝備的電池也越多，行駛距離便越遠。除可增加行駛距離外，車輛重量較輕時，車輛的性能明顯增強。因為較輕的車輛加速更快，行駛彎道更敏捷，制動時間也更短。例如寶馬電動汽車車身部分幾乎都是由碳纖維制成的，只有承擔(dān)碰撞吸能和承載動力系統(tǒng)的底部結(jié)構(gòu)，才使用鋁合金材料。碳纖維比鋁輕30%，比鋼減輕50%，這樣的車身結(jié)構(gòu)不僅強度較高，更重要的是車身自重可以減輕許多。（來源：人民網(wǎng)：電動汽車四大關(guān)鍵技術(shù)）

3D打印技術(shù)無論是助力電動汽車的研發(fā)，還是在全新的車身結(jié)構(gòu)，輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)，以及汽車內(nèi)飾、智能互聯(lián)方面都有著巨大的潛力。

3D打印與電動車
3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用已超越了新產(chǎn)品快速原型、設(shè)計驗證，逐漸進入到工裝、夾具、模具和復(fù)雜零部件、輕量化結(jié)構(gòu)的制造中。一些極具創(chuàng)新力的新興汽車制造企業(yè)更是將3D打印技術(shù)直接應(yīng)用于車身、車輛底盤的制造中。

根據(jù)上海大眾汽車有限公司高級經(jīng)理沈衛(wèi)東，目前，國內(nèi)3D打印零件還局限于汽車研發(fā)階段，小部分零件用于裝車試驗或可用于批量汽車的檢具制作。國際上，以惠普、Carbon為代表的3D打印企業(yè)直接將市場定位于用3D打印技術(shù)實現(xiàn)小批量零件制造。西門子推出了終端到終端的PLM增材制造軟件系統(tǒng)，覆蓋設(shè)計、仿真和生產(chǎn)的解決方案。這一切都意味著，3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，不僅僅在研發(fā)階段，而且將更加深入，在生產(chǎn)階段也將發(fā)揮舉足輕重的作用。今后，隨著材料技術(shù)的進一步發(fā)展，各種金屬、代替輕金屬的工程塑料、碳纖維復(fù)合材料會在3D打印中得到成熟的應(yīng)用,這將進一步加強汽車制造業(yè)迎來的輕量化、電動化、智能化、物聯(lián)網(wǎng)趨勢。

電池
在新能源汽車家族中最具吸引力的當(dāng)屬誕生于美國硅谷的特斯拉電動跑車，2003年特斯拉公司在硅谷工程師、資深車迷馬丁•艾伯哈德的努力下成立，在經(jīng)歷了10余年漫長的成長期之后，特斯拉汽車在2013年5月首次實現(xiàn)盈利，一度成為全球關(guān)注的焦點，2015年特斯拉汽車的全球銷量超過5萬輛。

特斯拉取得的成就與其面向具有環(huán)保意識的高收入階層的市場定位有關(guān)，也與其極具傳奇色彩的領(lǐng)導(dǎo)人埃隆•馬斯克密不可分，但還有一個重要原因造就了特斯拉在新能源汽車領(lǐng)域所取得的地位，那就是特斯拉領(lǐng)先的續(xù)航能力，特斯拉Mold S電動車的續(xù)航里程達到483公里，新旗艦版車型的續(xù)航里程甚至達到526公里， 這無疑是特斯拉汽車的一大亮點。這個亮點得益于特斯拉的電池技術(shù)，特斯拉Model S 車型上擁有一個由超過7000節(jié)18650鋰電池組成的電池組，它們?yōu)樘厮估�電動車一路保駕護航。

圖片：電池的進化

純電動的新能源汽車想要得到市場認可，擁有快速充電的能力和超長的續(xù)航里程是必要條件，在電池技術(shù)上獲得突破是電動新能源汽車取得發(fā)展的關(guān)鍵。近年來出現(xiàn)的新興材料石墨烯在制造具有快速充電能力和蓄電能力的電池或超級電容領(lǐng)域擁有巨大潛力，在理論上由于石墨烯材料本身具有的熱力效應(yīng)、電學(xué)性能，以及低溫吸氫、常溫?zé)o散射、應(yīng)變傳感等功能，石墨烯基的電池既在尺寸和重量上減輕車身的負累，同時大大縮短了充電時間，使得電動汽車的續(xù)航能力可以與傳統(tǒng)汽車相媲美，與石墨烯相關(guān)的電池或超級電容制造技術(shù)也因為具有這些充滿誘惑力的潛力而成為研究熱點。

石墨烯
3D打印技術(shù)在石墨烯電池、超級電容制造領(lǐng)域的應(yīng)用也受到關(guān)注，如澳大利亞斯威本大學(xué)（Swinburne University）的研究人員通過3D打印石墨烯薄片，發(fā)明了一種全新而且應(yīng)用廣泛的能源存儲技術(shù)（從技術(shù)上講，是一種超級電容器），可容納更大的電荷能量，并且在一秒鐘內(nèi)完成充電，由于充電和放電不會降低電池的質(zhì)量，所以這些電池理論上可以長期反復(fù)充電�？紤]到不用頻繁拋棄充電電池對環(huán)境帶來的威脅，這一優(yōu)點使得3D打印新型超級電池的商業(yè)空間更具想象力。

在此之前，美國勞倫斯•利弗莫爾國家實驗室（LLNL）與加州大學(xué)圣克魯茲分校的科學(xué)家們找到了一種可以將3D打印的石墨烯基超級電容的性能翻倍的方法。在2015年，LLNL就取得石墨烯材料應(yīng)用的突破，實驗室的科研人員以石墨烯氣凝膠做為3D打印的材料，并按照設(shè)計好的架構(gòu)進行3D打印。打印出的石墨稀結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的導(dǎo)電性和表面積。這一科研成果在傳感器、納米電子學(xué)、催化、分離等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

輕量化

正如KK在《新經(jīng)濟新規(guī)則》一書中所說，即使像汽車一樣的工業(yè)品也遵循性能更好，而重量更輕的規(guī)則。隨著信息逐漸取代質(zhì)量，汽車的平均重量一直在下降，并且將持續(xù)下降。

Soulmate
輕量化是未來汽車的一大特點，EDAG的設(shè)計師從葉子中汲取靈感，獲取輕量級車身的設(shè)計思路。Soulmate汽車的車身結(jié)構(gòu)由類似于葉脈的3D打印“骨架結(jié)構(gòu)”和一層輕薄的覆蓋外層所構(gòu)成。3D打印“骨架結(jié)構(gòu)”經(jīng)過了拓撲優(yōu)化設(shè)計，設(shè)計師在其承載力低的地方減少材料的使用，在其承載力高的地方提高材料的密度，從而成為一種輕量化的汽車車身結(jié)構(gòu)，在制造過程中材料的浪費少。

Soulmate車身中的“骨架結(jié)構(gòu)”是由EDAG工程、Zentrum Nord激光，Concept Laser和BLM這四家公司合作制造完成的，在制造中使用了金屬3D打印、激光焊接、激光彎曲成形技術(shù)。3D打印是由德國Concept Laser公司的3D打印設(shè)備來完成的，通過該公司的LaserCUSING ® 技術(shù)制造車身結(jié)構(gòu)件的節(jié)點，節(jié)點的形狀有效的仿生了每級荷載加強元件的力學(xué)性能需要。通過630毫米 x 400毫米 x 500毫米的加工空間和1千瓦的激光器來完成節(jié)點的加工。 兩剖面及節(jié)點設(shè)計采用CAD／CAE優(yōu)化，保證了符合汽車車身結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求。

這種仿生的3D打印“骨架結(jié)構(gòu)”理念帶來了柔性化生產(chǎn)的便利性，只要設(shè)計師完成建模，就可以進行定制化生產(chǎn)。尤其是當(dāng)設(shè)計師需要考慮到為汽車裝配不同動力系統(tǒng)時，可以根據(jù)所使用的動力系統(tǒng)的特點來靈活地調(diào)整車身結(jié)構(gòu)的負載力，從而調(diào)整3D打印“骨架結(jié)構(gòu)”的設(shè)計。3D打印車身結(jié)構(gòu)的各個部分都采用鋼性材料連接，可以很便利地按需提供不同的厚度和不同幾何形狀的連接件。

除了Soulmate汽車，2017年EDAG工程還發(fā)起了一個3D打印輕量化汽車引擎蓋鉸鏈的設(shè)計與制造項目-LightHinge+ 。在這個輕量化鉸鏈的設(shè)計與制造過程中，EDAG 公司與其合作伙伴一起，通過拓撲優(yōu)化設(shè)計、仿真分析、3D打印技術(shù)設(shè)計與制造了一個3D打印汽車引擎蓋鉸鏈，鉸鏈在實現(xiàn)輕量化的同時，兼顧到了汽車制造業(yè)對于行人保護方面的設(shè)計要求。通過仿真分析，項目組對該鉸鏈的3D打印預(yù)期進行了有效控制。

汽車企業(yè)正在金屬3D打印和塑料3D打印兩個領(lǐng)域發(fā)力，正如寶馬集團迅速采用金屬3D打印技術(shù)，寶馬還迅速地做出了引進Carbon和惠普的決定，寶馬認為將通過這些3D打印技術(shù)用于最終零件的生產(chǎn)。

Divergent
Divergent將3D打印技術(shù)大膽的嘗試到汽車底盤的制造上，Blade汽車的主體部件是鋁合金和碳纖維，非常輕，車速很快。

汽車底盤和支撐結(jié)構(gòu)的制造工藝主要是將3D打印鋁制的“節(jié)點”結(jié)構(gòu)與現(xiàn)成的碳纖維管材進行連接，整個過程頗像搭建樂高積木的感覺。在所有節(jié)點都被制造出來之后，工人在短時間之內(nèi)就可將汽車底盤組裝好。整個構(gòu)建底盤的過程需要的資金和耗費的資源非常少，并且不像其它汽車制造技術(shù)那樣需要非常熟練、訓(xùn)練有素的工人。使用這種獨特的3D打印方法制造節(jié)點式汽車底盤，重量減輕了90％，強度卻更高了，而且比使用傳統(tǒng)技術(shù)制造的汽車更耐用。

Blade能夠在短短2.2秒內(nèi)從0加速至60英里/每小時（約100公里/每小時），它的重量只有1400磅（約635千克），并且安裝著一個4缸700馬力的雙燃料內(nèi)燃機，可使用汽油或壓縮天然氣為燃料。汽車底盤由大約70個3D打印的鋁節(jié)點組成的，工人手工組裝該底盤前后歷時僅30分鐘。而底盤本身的重量只有61磅（約28千克）。

黑鯊VIII
2017中國大學(xué)生方程式汽車大賽及2017蔚來杯中國大學(xué)生電動方程式大賽上，鉑力特(BLT)贊助支持的北理工方程式賽車隊派出的黑鯊VIII帶有突破性的賽車輕量化設(shè)計理念。黑鯊VIII在輕量化設(shè)計方面和金屬3D打印技術(shù)方面獲得了鉑力特的支持，北理工方程式賽車隊將黑鯊VIII賽車立柱的創(chuàng)新設(shè)計變成現(xiàn)實，不僅保證了制造精度，并在輕量化上表現(xiàn)出色，立柱零件實物減重20%，強度提高140%；而 黑鯊VIII 整車質(zhì)量控制在163kg，整車較去年減重14%。根據(jù)鉑力特，這不僅是2017年賽季121支油車電車隊伍中最輕的賽車，也是中國大學(xué)生方程式汽車大賽8年來的最輕賽車。
熱交換器
HiETA
由HiETA Technologies與Delta Motorsport合作設(shè)計和制造、用于微型燃氣渦輪系統(tǒng)的并流換熱器被用于電動汽車的微型渦輪引擎。

HiETA開發(fā)了專用參數(shù)包，包括開發(fā)Inconel材料的無泄漏薄壁結(jié)構(gòu)，厚度達150微米。通過Renishaw在Staffordshire工廠里的AM250和HiETA在布里斯托爾和巴斯科學(xué)園附近的設(shè)備來完成產(chǎn)品的制造。英國的汽車集成商Delta Motorsports參與了兩個項目。第一個是長方體換熱器（換熱器），用作電動車輛的擴展裝置。第二個是將組件的設(shè)計變得更復(fù)雜，形狀看起來與傳統(tǒng)的長方體形狀完全不同，而是更復(fù)雜的弧形設(shè)計。

通過3D打印，HiETA生產(chǎn)的零件通常比市場上同等效率傳統(tǒng)方法制造的產(chǎn)品重量輕40％。這是因為3D打印技術(shù)允許設(shè)計師設(shè)計單個組件中的許多新穎的高性能表面，這些集成式一體化的設(shè)計對于傳統(tǒng)加工方法來說是非常困難的。

內(nèi)飾及塑料零件

Fractal
法國標(biāo)致汽車曾推出一款名為Fractal的純電動概念車，特點是通過3D打印技術(shù)制造了這款車的消聲內(nèi)飾。車輛的內(nèi)飾是由Materialise公司設(shè)計和3D打印的。3D打印內(nèi)飾占到Fractal 電動車內(nèi)飾總表面積的82％。 內(nèi)飾件的表面具有凹凸不平的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)是中空的，不但可以減少聲波和噪聲水平，而且會使聲波從一個表面反射到另一個表面，從而實現(xiàn)對聲音環(huán)境的調(diào)整。這類復(fù)雜的造型是模具注塑工藝難以實現(xiàn)的，但這正是3D打印技術(shù)的優(yōu)勢所在。

當(dāng)然，F(xiàn)ractal通過3D打印所制造的內(nèi)飾是一種直接制造的結(jié)果。而在3D科學(xué)谷看來，無論是汽車內(nèi)飾，還是汽車上所用到的其他塑料零件，還有一種潛在的3D打印技術(shù)頗具應(yīng)用潛力，那就是隨形冷卻模具的應(yīng)用。
根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，2015年Moog收購了Linear Mold工程公司70%的股份，而2017年，Linear Mold又將大部分股份回購回來，其原因正是Linear Mold看到了隨形冷卻模具在汽車領(lǐng)域爆發(fā)增長的趨勢。

智能互聯(lián)
通過美國Local Motors公司已推出市場的智能公交車和德國博世公司打造的Soulmate概念車就可以感受到智能汽車的獨特魅力。值得一提的是，這兩款智能汽車都使用了3D打印技術(shù)來制造汽車零部件。

Olli
在智能汽車領(lǐng)域，以提供定制化汽車為主要業(yè)務(wù)的Local Motors公司的市場反應(yīng)速度絲毫不亞于Google、特斯拉、寶馬等著名公司。Local Motors研發(fā)的智能巴士Olli 已在德國進行了試運營，未來Olli 將在德國承擔(dān)起從火車站到酒店之間的接駁任務(wù)。

Olli巴士的載客量和速度均低于傳統(tǒng)的公交車，其最大載客量為22人，最高時速為25英里/小時。但是Olli所擁有的高科技，讓這些差距變得微不足道。Olli巴士是一輛無人駕駛的智能汽車，在制造時采用了大量3D打印零部件，，例如用可回收的碳纖維增強塑料3D打印的車身。Olli還配備了IBM Watson的人工智能軟件，該軟件的作用是分析大量的數(shù)據(jù)。負責(zé)收集數(shù)據(jù)的是30多個傳感器，它們是Local Motors在制造汽車的過程中嵌入到汽車中的。此外，Olli 汽車還使用了Watson的4個語言提取、分析類的API， 以實現(xiàn)汽車和乘客之間的無縫互動功能。例如，當(dāng)乘客坐上汽車之后, 就可以對Olli 說：“可以帶我去市中心嗎？” Olli 很快就能做出判斷并駛向目的地。如果乘客對目的地并不熟悉，還可以咨詢Olli 附近有哪些飯店、景點。

Soulmate
德國博世與其合作伙伴EDAG共同打造的Soulmate翻譯成中文不僅僅是知己，更是靈魂伴侶，用這個帶有情感色彩的詞來給一輛汽車命名，可見這輛車對主人意識的感知程度非同一般。而這也意味著未來的車將全面接入IoT物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),并具有先進的智能化功能，比如說Soulmate內(nèi)部和外部的表面可被其內(nèi)部的照明系統(tǒng)照亮，司機可以通過光信號與其他司機通信。當(dāng)在高速公路發(fā)生危險的時候，司機也可以讓任何一扇門發(fā)出紅色的閃光以提示其他的司機。博世的技術(shù)專家在車內(nèi)安裝了一個智能系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許車主與家庭里的智能產(chǎn)品保持互聯(lián)，車主在車上就可以讓一個送貨員到家，然后通過碰觸車內(nèi)的顯示屏既可以簽收貨物。此外，車輛的接口可以通過手勢控制和通過觸覺輸入來控制，車主專注地駕駛汽車。

3D打印電子
通過3D打印機進行電子產(chǎn)品外殼的快速原型在電子行業(yè)中已很常見，但3D打印技術(shù)在電子行業(yè)中的應(yīng)用并非僅停留在電子產(chǎn)品的“表面”,更加令人興奮的應(yīng)用是打印PCB（印刷電路板）和在多種基底上直接打印元器件。

3D打印技術(shù)可在多種材質(zhì)的基底上打印電路和傳感器，其中也包括在柔性物體上面實現(xiàn)這類應(yīng)用，例如，Nano Dimension公司已嘗試在紡織物上打印電子元件和傳感器，它們是織物中不可分割的一部分，Nano Dimension還對紡織物的導(dǎo)電性、彈性、摩擦等方面進行了測試，測試結(jié)果表明3D打印銀導(dǎo)體具有足夠高的彈性，足以匹配紡織物的彈性。通過此類技術(shù)，就連柔軟的紡織物也具有成為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可能性。

3D打印電子技術(shù)比較有潛力的應(yīng)用是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中往往需要嵌入電路和傳感器，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和物體的互聯(lián)，3D科學(xué)谷在《3D打印與電子產(chǎn)品白皮書》介紹過的幾種3D打印技術(shù)都有打印電路和傳感器領(lǐng)域的相關(guān)應(yīng)用。

雖然目前汽車智能互聯(lián)實現(xiàn)的技術(shù)與3D打印技術(shù)的聯(lián)系并不大，但隨著3D打印技術(shù)在電子領(lǐng)域的應(yīng)用深入，3D打印之于智能互聯(lián)將結(jié)合得越來越緊密。

風(fēng)靡全球的電動交通工具
電動飛機
環(huán)顧世界的電動交通工具市場，不僅僅是電動汽車領(lǐng)域，3D打印技術(shù)在與電動飛機，電動摩托車的結(jié)合方面正走向深化。

電動飛機方面，以色列的Eviation Aircraft公司正在進行全電動通勤飛機的開發(fā)，在研發(fā)過程中Eviation 應(yīng)用了3D打印技術(shù)。在飛機研發(fā)過程中，Eviation Aircraf 需要一種經(jīng)濟、快速的解決方案來控制零部件的研發(fā)成本，以及提高零部飛機設(shè)計迭代的效率。Eviation曾購買了Stratasys Fortus 450mc 3D打印機，快速制造研發(fā)中所需的零部件原型、用于測試的功能零部件，以及工模具。

圖片：Eviation通過Stratasys設(shè)備和材料制作的零件

Eviation曾用這臺3D打印機和ABS 材料在20個小時內(nèi)制造了機翼電機的原型，還通過ULTEM材料制造了一款“”復(fù)合鋪設(shè)工具，3D打印的部件被覆蓋在碳纖維材料中，用于支撐光滑、氣動的飛機表面結(jié)構(gòu)。ULTEM材料是一款可用于嚴苛環(huán)境中的熱塑性材料，可應(yīng)用在航空航天制造領(lǐng)域，制造一些 3D 打印的高級功能原型或生產(chǎn)最終零件。

電動摩托
不僅僅是電動飛機，Light Rider 是由APWorks開發(fā)，為現(xiàn)有的和潛在客戶展示金屬3D打印設(shè)計研究的電動摩托車。APWorks這一研究標(biāo)志著全新的零部件的研發(fā)、結(jié)構(gòu)再造、材料的優(yōu)化和3D打印相結(jié)合的成功。這些因素的組合導(dǎo)致重量和成本的節(jié)約，同時減少裝配時間，并有助于在零部件和組件集成新的額外的功能。此電動摩托車車架是基于大自然原理獲得的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。從視覺上，Light Rider的設(shè)計有點像咖啡賽車手Cafe Racer，自上世紀60年代英國系列摩托車。在APWorks工程師選定了組件如車燈、座位和顏色后，他們開始了設(shè)計流程。

此外，拓撲優(yōu)化技術(shù)和空客公司開發(fā)的高性能的鋁合金材料Scalmalloy®，是項目成功的關(guān)鍵因素。Scalmalloy®材料不僅耐腐蝕，而且結(jié)合了鋁的重量優(yōu)勢以及與鈦等同的強度優(yōu)勢。

步領(lǐng)先，步步領(lǐng)先

綜上所述，3D打印在電動交通工具的應(yīng)用不僅具備極大的想象空間，更具備實際可操作性，3D打印設(shè)備及材料廠商應(yīng)積極的增強與電動交通工具制造廠商的交流，結(jié)合自身調(diào)節(jié)，拓展應(yīng)用范圍，從而更好的把握市場先機。


來源：3D科學(xué)谷