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    5年6倍速的增长!面对电动车革命性的量变,3D打印你准备好了吗?
    作者: 来源:3D科学谷 发布时间:2018-01-03 11:23:48

     电动车的市场正在迎来量变到质量的飞跃,根据亚琛大学的预测,电动车的年产量2020年有望发展到410万台(约占4%的汽车市场),2025年达到2490万台(约占22%的汽车市场),2030年则达到5040万台(约占42%的汽车市场)。但是从2020年到2025年这5年来说,增量将是6倍。这… …是个惊人的数字!

    正如KK在《新经济新规则》中指出的,在新经济波涛汹涌,快速变化的环境中,只有反应敏捷、顺应变化、行动快速的公司才能成功。快速走向新路途只解决一半问题,快速放弃旧成功解决另外重要的一半。

    面对新的机遇,3D打印,你准备好了吗?

    --—- 电动汽车

    电动汽车是高科技综合性产品,除电池、电动机外,车体本身也包含很多高新技术,有些节能措施比提高电池储能能力还易于实现。电动汽车需要全新车身结构,而决不仅仅是由电动驱动系统代替内燃机。汽车的电动化要求对整个车身进行大范围的改进,因为电动驱动组件对结构空间有全新的要求。

    对于电动汽车而言,轻质结构设计意义重大。因为除电池电量外,汽车重量也是行驶距离的一个限制性因素。车辆越轻,允许装备的电池也越多,行驶距离便越远。除可增加行驶距离外,车辆重量较轻时,车辆的性能明显增强。因为较轻的车辆加速更快,行驶弯道更敏捷,制动时间也更短。例如宝马电动汽车车身部分几乎都是由碳纤维制成的,只有承担碰撞吸能和承载动力系统的底部结构,才使用铝合金材料。碳纤维比铝轻30%,比钢减轻50%,这样的车身结构不仅强度较高,更重要的是车身自重可以减轻许多。(来源:人民网:电动汽车四大关键技术)

    3D打印技术无论是助力电动汽车的研发,还是在全新的车身结构,轻质结构的实现,以及汽车内饰、智能互联方面都有着巨大的潜力。

    --–– 3D打印与电动车

    3D打印技术在汽车制造业中的应用已超越了新产品快速原型、设计验证,逐渐进入到工装、夹具、模具和复杂零部件、轻量化结构的制造中。一些极具创新力的新兴汽车制造企业更是将3D打印技术直接应用于车身、车辆底盘的制造中。

    根据上海大众汽车有限公司高级经理沈卫东,目前,国内3D打印零件还局限于汽车研发阶段,小部分零件用于装车试验或可用于批量汽车的检具制作。国际上,以惠普、Carbon为代表的3D打印企业直接将市场定位于用3D打印技术实现小批量零件制造。西门子推出了终端到终端的PLM增材制造软件系统,覆盖设计、仿真和生产的解决方案。这一切都意味着,3D打印技术在汽车领域的应用,不仅仅在研发阶段,而且将更加深入,在生产阶段也将发挥举足轻重的作用。今后,随着材料技术的进一步发展,各种金属、代替轻金属的工程塑料、碳纤维复合材料会在3D打印中得到成熟的应用,这将进一步加强汽车制造业迎来的轻量化、电动化、智能化、物联网趋势。

    电池

    在新能源汽车家族中最具吸引力的当属诞生于美国硅谷的特斯拉电动跑车,2003年特斯拉公司在硅谷工程师、资深车迷马丁•艾伯哈德的努力下成立,在经历了10余年漫长的成长期之后,特斯拉汽车在2013年5月首次实现盈利,一度成为全球关注的焦点,2015年特斯拉汽车的全球销量超过5万辆。

    特斯拉取得的成就与其面向具有环保意识的高收入阶层的市场定位有关,也与其极具传奇色彩的领导人埃隆•马斯克密不可分,但还有一个重要原因造就了特斯拉在新能源汽车领域所取得的地位,那就是特斯拉领先的续航能力,特斯拉Mold S电动车的续航里程达到483公里,新旗舰版车型的续航里程甚至达到526公里, 这无疑是特斯拉汽车的一大亮点。这个亮点得益于特斯拉的电池技术,特斯拉Model S 车型上拥有一个由超过7000节18650锂电池组成的电池组,它们为特斯拉电动车一路保驾护航。

    图片:电池的进化

    纯电动的新能源汽车想要得到市场认可,拥有快速充电的能力和超长的续航里程是必要条件,在电池技术上获得突破是电动新能源汽车取得发展的关键。近年来出现的新兴材料石墨烯在制造具有快速充电能力和蓄电能力的电池或超级电容领域拥有巨大潜力,在理论上由于石墨烯材料本身具有的热力效应、电学性能,以及低温吸氢、常温无散射、应变传感等功能,石墨烯基的电池既在尺寸和重量上减轻车身的负累,同时大大缩短了充电时间,使得电动汽车的续航能力可以与传统汽车相媲美,与石墨烯相关的电池或超级电容制造技术也因为具有这些充满诱惑力的潜力而成为研究热点。

    石墨烯

    3D打印技术在石墨烯电池、超级电容制造领域的应用也受到关注,如澳大利亚斯威本大学(Swinburne University)的研究人员通过3D打印石墨烯薄片,发明了一种全新而且应用广泛的能源存储技术(从技术上讲,是一种超级电容器),可容纳更大的电荷能量,并且在一秒钟内完成充电,由于充电和放电不会降低电池的质量,所以这些电池理论上可以长期反复充电。考虑到不用频繁抛弃充电电池对环境带来的威胁,这一优点使得3D打印新型超级电池的商业空间更具想象力。

    在此之前,美国劳伦斯•利弗莫尔国家实验室(LLNL)与加州大学圣克鲁兹分校的科学家们找到了一种可以将3D打印的石墨烯基超级电容的性能翻倍的方法。在2015年,LLNL就取得石墨烯材料应用的突破,实验室的科研人员以石墨烯气凝胶做为3D打印的材料,并按照设计好的架构进行3D打印。打印出的石墨稀结构具有优异的导电性和表面积。这一科研成果在传感器、纳米电子学、催化、分离等领域具有应用潜力。

    --–– 轻量化

    正如KK在《新经济新规则》一书中所说,即使像汽车一样的工业品也遵循性能更好,而重量更轻的规则。随着信息逐渐取代质量,汽车的平均重量一直在下降,并且将持续下降。

    Soulmate

    轻量化是未来汽车的一大特点,EDAG的设计师从叶子中汲取灵感,获取轻量级车身的设计思路。Soulmate汽车的车身结构由类似于叶脉的3D打印“骨架结构”和一层轻薄的覆盖外层所构成。3D打印“骨架结构”经过了拓扑优化设计,设计师在其承载力低的地方减少材料的使用,在其承载力高的地方提高材料的密度,从而成为一种轻量化的汽车车身结构,在制造过程中材料的浪费少。

    Soulmate车身中的“骨架结构”是由EDAG工程、Zentrum Nord激光,Concept Laser和BLM这四家公司合作制造完成的,在制造中使用了金属3D打印、激光焊接、激光弯曲成形技术。3D打印是由德国Concept Laser公司的3D打印设备来完成的,通过该公司的LaserCUSING ® 技术制造车身结构件的节点,节点的形状有效的仿生了每级荷载加强元件的力学性能需要。通过630毫米 x 400毫米 x 500毫米的加工空间和1千瓦的激光器来完成节点的加工。 两剖面及节点设计采用CAD/CAE优化,保证了符合汽车车身结构力学性能要求。

    这种仿生的3D打印“骨架结构”理念带来了柔性化生产的便利性,只要设计师完成建模,就可以进行定制化生产。尤其是当设计师需要考虑到为汽车装配不同动力系统时,可以根据所使用的动力系统的特点来灵活地调整车身结构的负载力,从而调整3D打印“骨架结构”的设计。3D打印车身结构的各个部分都采用钢性材料连接,可以很便利地按需提供不同的厚度和不同几何形状的连接件。

    除了Soulmate汽车,2017年EDAG工程还发起了一个3D打印轻量化汽车引擎盖铰链的设计与制造项目-LightHinge+ 。在这个轻量化铰链的设计与制造过程中,EDAG 公司与其合作伙伴一起,通过拓扑优化设计、仿真分析、3D打印技术设计与制造了一个3D打印汽车引擎盖铰链,铰链在实现轻量化的同时,兼顾到了汽车制造业对于行人保护方面的设计要求。通过仿真分析,项目组对该铰链的3D打印预期进行了有效控制。

    汽车企业正在金属3D打印和塑料3D打印两个领域发力,正如宝马集团迅速采用金属3D打印技术,宝马还迅速地做出了引进Carbon和惠普的决定,宝马认为将通过这些3D打印技术用于最终零件的生产。

    Divergent

    Divergent将3D打印技术大胆的尝试到汽车底盘的制造上,Blade汽车的主体部件是铝合金和碳纤维,非常轻,车速很快。

    汽车底盘和支撑结构的制造工艺主要是将3D打印铝制的“节点”结构与现成的碳纤维管材进行连接,整个过程颇像搭建乐高积木的感觉。在所有节点都被制造出来之后,工人在短时间之内就可将汽车底盘组装好。整个构建底盘的过程需要的资金和耗费的资源非常少,并且不像其它汽车制造技术那样需要非常熟练、训练有素的工人。使用这种独特的3D打印方法制造节点式汽车底盘,重量减轻了90%,强度却更高了,而且比使用传统技术制造的汽车更耐用。

    Blade能够在短短2.2秒内从0加速至60英里/每小时(约100公里/每小时),它的重量只有1400磅(约635千克),并且安装着一个4缸700马力的双燃料内燃机,可使用汽油或压缩天然气为燃料。汽车底盘由大约70个3D打印的铝节点组成的,工人手工组装该底盘前后历时仅30分钟。而底盘本身的重量只有61磅(约28千克)。

    黑鲨VIII

    2017中国大学生方程式汽车大赛及2017蔚来杯中国大学生电动方程式大赛上,铂力特(BLT)赞助支持的北理工方程式赛车队派出的黑鲨VIII带有突破性的赛车轻量化设计理念。黑鲨VIII在轻量化设计方面和金属3D打印技术方面获得了铂力特的支持,北理工方程式赛车队将黑鲨VIII赛车立柱的创新设计变成现实,不仅保证了制造精度,并在轻量化上表现出色,立柱零件实物减重20%,强度提高140%;而 黑鲨VIII 整车质量控制在163kg,整车较去年减重14%。根据铂力特,这不仅是2017年赛季121支油车电车队伍中最轻的赛车,也是中国大学生方程式汽车大赛8年来的最轻赛车。

    –—- 热交换器

    HiETA

    由HiETA Technologies与Delta Motorsport合作设计和制造、用于微型燃气涡轮系统的并流换热器被用于电动汽车的微型涡轮引擎。

    HiETA开发了专用参数包,包括开发Inconel材料的无泄漏薄壁结构,厚度达150微米。通过Renishaw在Staffordshire工厂里的AM250和HiETA在布里斯托尔和巴斯科学园附近的设备来完成产品的制造。英国的汽车集成商Delta Motorsports参与了两个项目。第一个是长方体换热器(换热器),用作电动车辆的扩展装置。第二个是将组件的设计变得更复杂,形状看起来与传统的长方体形状完全不同,而是更复杂的弧形设计。

    通过3D打印,HiETA生产的零件通常比市场上同等效率传统方法制造的产品重量轻40%。这是因为3D打印技术允许设计师设计单个组件中的许多新颖的高性能表面,这些集成式一体化的设计对于传统加工方法来说是非常困难的。

    --—- 内饰及塑料零件

    Fractal

    法国标致汽车曾推出一款名为Fractal的纯电动概念车,特点是通过3D打印技术制造了这款车的消声内饰。车辆的内饰是由Materialise公司设计和3D打印的。3D打印内饰占到Fractal 电动车内饰总表面积的82%。 内饰件的表面具有凹凸不平的结构,这些结构是中空的,不但可以减少声波和噪声水平,而且会使声波从一个表面反射到另一个表面,从而实现对声音环境的调整。这类复杂的造型是模具注塑工艺难以实现的,但这正是3D打印技术的优势所在。

    当然,Fractal通过3D打印所制造的内饰是一种直接制造的结果。无论是汽车内饰,还是汽车上所用到的其他塑料零件,还有一种潜在的3D打印技术颇具应用潜力,那就是随形冷却模具的应用。

    根据市场研究,2015年Moog收购了Linear Mold工程公司70%的股份,而2017年,Linear Mold又将大部分股份回购回来,其原因正是Linear Mold看到了随形冷却模具在汽车领域爆发增长的趋势。

    而关于3D打印在模具领域的应用,请参考3D科学谷发布的《3D打印模具的应用、趋势、供应链白皮书》

    --—- 智能互联

    通过美国Local Motors公司已推出市场的智能公交车和德国博世公司打造的Soulmate概念车就可以感受到智能汽车的独特魅力。值得一提的是,这两款智能汽车都使用了3D打印技术来制造汽车零部件。

    Olli

    在智能汽车领域,以提供定制化汽车为主要业务的Local Motors公司的市场反应速度丝毫不亚于Google、特斯拉、宝马等著名公司。Local Motors研发的智能巴士Olli 已在德国进行了试运营,未来Olli 将在德国承担起从火车站到酒店之间的接驳任务。

    Olli巴士的载客量和速度均低于传统的公交车,其最大载客量为22人,最高时速为25英里/小时。但是Olli所拥有的高科技,让这些差距变得微不足道。Olli巴士是一辆无人驾驶的智能汽车,在制造时采用了大量3D打印零部件,,例如用可回收的碳纤维增强塑料3D打印的车身。Olli还配备了IBM Watson的人工智能软件,该软件的作用是分析大量的数据。负责收集数据的是30多个传感器,它们是Local Motors在制造汽车的过程中嵌入到汽车中的。此外,Olli 汽车还使用了Watson的4个语言提取、分析类的API, 以实现汽车和乘客之间的无缝互动功能。例如,当乘客坐上汽车之后, 就可以对Olli 说:“可以带我去市中心吗?” Olli 很快就能做出判断并驶向目的地。如果乘客对目的地并不熟悉,还可以咨询Olli 附近有哪些饭店、景点。

    Soulmate

    德国博世与其合作伙伴EDAG共同打造的Soulmate翻译成中文不仅仅是知己,更是灵魂伴侣,用这个带有情感色彩的词来给一辆汽车命名,可见这辆车对主人意识的感知程度非同一般。而这也意味着未来的车将全面接入IoT物联网系统,并具有先进的智能化功能,比如说Soulmate内部和外部的表面可被其内部的照明系统照亮,司机可以通过光信号与其他司机通信。当在高速公路发生危险的时候,司机也可以让任何一扇门发出红色的闪光以提示其他的司机。博世的技术专家在车内安装了一个智能系统,该系统允许车主与家庭里的智能产品保持互联,车主在车上就可以让一个送货员到家,然后通过碰触车内的显示屏既可以签收货物。此外,车辆的接口可以通过手势控制和通过触觉输入来控制,车主专注地驾驶汽车。

    3D打印电子

    通过3D打印机进行电子产品外壳的快速原型在电子行业中已很常见,但3D打印技术在电子行业中的应用并非仅停留在电子产品的“表面”,更加令人兴奋的应用是打印PCB(印刷电路板)和在多种基底上直接打印元器件。

    3D打印技术可在多种材质的基底上打印电路和传感器,其中也包括在柔性物体上面实现这类应用,例如,Nano Dimension公司已尝试在纺织物上打印电子元件和传感器,它们是织物中不可分割的一部分,Nano Dimension还对纺织物的导电性、弹性、摩擦等方面进行了测试,测试结果表明3D打印银导体具有足够高的弹性,足以匹配纺织物的弹性。通过此类技术,就连柔软的纺织物也具有成为物联网设备的可能性。

    3D打印电子技术比较有潜力的应用是在物联网领域。物联网设备中往往需要嵌入电路和传感器,以实现数据的传输和物体的互联,3D科学谷在《3D打印与电子产品白皮书》介绍过的几种3D打印技术都有打印电路和传感器领域的相关应用。

    虽然目前汽车智能互联实现的技术与3D打印技术的联系并不大,但随着3D打印技术在电子领域的应用深入,3D打印之于智能互联将结合得越来越紧密。

    --–– 风靡全球的电动交通工具

    电动飞机

    环顾世界的电动交通工具市场,不仅仅是电动汽车领域,3D打印技术在与电动飞机,电动摩托车的结合方面正走向深化。

    电动飞机方面,以色列的Eviation Aircraft公司正在进行全电动通勤飞机的开发,在研发过程中Eviation 应用了3D打印技术。在飞机研发过程中,Eviation Aircraf 需要一种经济、快速的解决方案来控制零部件的研发成本,以及提高零部飞机设计迭代的效率。Eviation曾购买了Stratasys Fortus 450mc 3D打印机,快速制造研发中所需的零部件原型、用于测试的功能零部件,以及工模具。

    图片:Eviation通过Stratasys设备和材料制作的零件

    Eviation曾用这台3D打印机和ABS 材料在20个小时内制造了机翼电机的原型,还通过ULTEM材料制造了一款“”复合铺设工具,3D打印的部件被覆盖在碳纤维材料中,用于支撑光滑、气动的飞机表面结构。ULTEM材料是一款可用于严苛环境中的热塑性材料,可应用在航空航天制造领域,制造一些 3D 打印的高级功能原型或生产最终零件。

    电动摩托

    不仅仅是电动飞机,Light Rider 是由APWorks开发,为现有的和潜在客户展示金属3D打印设计研究的电动摩托车。APWorks这一研究标志着全新的零部件的研发、结构再造、材料的优化和3D打印相结合的成功。这些因素的组合导致重量和成本的节约,同时减少装配时间,并有助于在零部件和组件集成新的额外的功能。此电动摩托车车架是基于大自然原理获得的结构优化设计。从视觉上,Light Rider的设计有点像咖啡赛车手Cafe Racer,自上世纪60年代英国系列摩托车。在APWorks工程师选定了组件如车灯、座位和颜色后,他们开始了设计流程。

    此外,拓扑优化技术和空客公司开发的高性能的铝合金材料Scalmalloy®,是项目成功的关键因素。Scalmalloy®材料不仅耐腐蚀,而且结合了铝的重量优势以及与钛等同的强度优势。

    --—- 一步领先,步步领先

    综上所述,3D打印在电动交通工具的应用不仅具备极大的想象空间,更具备实际可操作性,3D打印设备及材料厂商应积极的增强与电动交通工具制造厂商的交流,结合自身调节,拓展应用范围,从而更好的把握市场先机。

     




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