两大案例洞见3D打印用于新电力驱动的国际前沿进展：EffiBlech项目与Connactive项目
根据3D科学谷的市场了解，未来的驱动任务-无论是在工业领域还是交通领域-都对各个组件提出了很高的要求。电动机的经典制造工艺很快达到了极限。基于传统的制造工艺，优化的几何形状通常是不可能的，结果是设计者在性能和效率上痛苦折衷。
随着3D打印技术的发展，3D打印从打印电动机外壳，到定子绕组，到电动机，在获得不断的突破。3D科学谷曾在《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》一文中分享过由福特、蒂森克虏伯、亚琛工业大学（ACAM亚琛增材制造中心研发联合体成员）组成的工业联盟的一项研究项目，以开发下一代电动汽车的灵活、可持续的生产工艺。本期，3D科学谷将分享Fraunhofer IFAM将金属3D 丝网打印工艺应用到新电力驱动，以及Höganäs 加入的Connactive平台所研究的新 eDrive 概念。
新电机的新制造工艺
▲通过3D丝网打印制造的定子叠片
© Fraunhofer IFAM 德累斯顿
位于德国德累斯顿的Fraunhofer IFAM弗劳恩霍夫制造技术和先进材料研究所启动了一个高效生产用于电力驱动的电气板的项目。
在西门子的协调下，“EffiBlech”项目通过Fraunhofer与Friedrich Alexander大学制造自动化和生产系统学院以及 EKRA Automatisierungs GmbH、MUT Advanced Heating GmbH 和 Optonic GmbH 公司的合作伙伴共同实施，以开发具有生产和测试方法的完整工艺链，最终结果将是实现更高效的电气驱动器电气板。
Fraunhofer IFAM 在“EffiBlech”项目中的主要任务是选择合适的低成本粉末、开发浆料以及优化单层的打印工艺。
根据3D科学谷的了解，该项目的动机是通过减少能量转换过程中电力驱动器中出现的不需要的涡流，从而提高电机效率。涡流是导致机器发热的损耗，必须将其消散。通过减少板材的厚度，可以显着减少这些损失。
这种电工片通常采用复杂的多阶段成型和热处理工艺生产，然后加工成转子或定子叠片。由于轧制和冲压工艺步骤，要加工的最小厚度受到限制，标准在 0.2 至 0.65 毫米之间。这意味着无法进一步降低涡流损耗。此外，在形成电工钢板的叠片时，会出现高达 50% 的材料边角料。
在“EffiBlech”项目中，解决了薄板生产所有子过程中的挑战。这包括从糊料生产和丝网印刷到热处理。纸叠中的处理和绝缘也得到优化，并开发了一个检查系统，以确保近系列原型生产的高质量。在优化所有工艺步骤后，电气板最终安装在电机中并进行测试。
可以通过结果实现的潜在节省的一个具体例子是异步电机中的软磁组件。在这里，磁芯损耗可降低 10%，生产中的材料成本可降低 20%。各种措施，例如使丝网打印过程完全自动化和增加可用的丝网面积，提高了整个过程的生产率。因此，异步电机生产中的二氧化碳排放量可减少约 20%，在片材包装中可减少约 40%。
根据3D科学谷的了解，Höganäs 已加入 Connactive 项目，以开发基于使用金属粉末的新电力驱动概念。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。
© Connactive
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，根据3D科学谷的了解，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。
根据Connactive 项目，团队在短短几个月后展示的第一个结果确实令人惊讶：通过原型 eDrive，他们成功地最大限度地减少了安装空间，同时几乎将性能提高了一倍。在传统 20 kW 电动机通常需要的空间中，现在可以容纳提供 50 kW 令人印象深刻的整体性能的驱动器。
在这里，输出功率为 35 kW 的径向磁通电机与提供额外 15 kW 功率的附加轴向磁通电机相结合。两者都在高频下工作，但功率损耗最小。
径向和轴向磁通电机的组合创建了一个整体系统，高扭矩轴向磁通电机和高速径向磁通电机可确保整个范围内的动态驾驶性能。此外，在较低速度下，轴向磁通电机还可用作空调循环等系统的辅助驱动。更重要的是：如果一个电机出现故障，另一个将保证紧急备用操作。
该系统的紧凑结构和最小的能量损失是唯一可能的，因为它使用了一种特殊的原材料：它们不是用金属板冲压出不同系统组件的零件，而是由软磁复合材料 (SMC) 制造的。这意味着不会浪费任何原材料，因此可以更可持续地使用。
新设计还提供了更大的几何设计自由度，因为没有传统冲床的二维限制，三维设计没有问题。结果是显着更高的可集成性，但设计相对简单。
紧凑的设计不仅可以集成两个驱动器，还可以容纳系统内 eDrive 的其他组件。除了节省宝贵的空间外，这还开辟了新的技术可能性。整个电力电子设备——包括控制单元——都是系统的一部分。例如，这使得可以直接在电机本身中测量电机电压和相电流。
从世界范围来看，根据3D科学谷的市场观察，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。
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当今的汽车制造商面临着提高电动汽车效率的不断增长的需求。制造商已经从各个角度解决这个问题：减轻重量、创建更高效的动力传动系统、降低噪音。不过这个过程是不断迭代且永无止境的。关于3D打印在电机领域的应用，3D科学谷将保持持续的市场关注，更多内容请参考3D科学谷发布的上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》。
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