隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，3D打印從打印電動(dòng)機(jī)外殼，到定子繞組，到電動(dòng)機(jī)，在獲得不斷的突破。本期針對(duì)磁體的3D打印，與網(wǎng)友一起來(lái)深入了解磁體3D打印的發(fā)展現(xiàn)狀。

3D打印電機(jī)與電機(jī)市場(chǎng)

強(qiáng)韌的發(fā)展與活力

根據(jù)中國(guó)機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)出口商會(huì)，2021年，盡管全球疫情帶來(lái)國(guó)際海運(yùn)、原材料價(jià)格大幅波動(dòng)，電力供應(yīng)緊張等多重困難，我國(guó)電機(jī)行業(yè)以完整的供應(yīng)鏈、龐大產(chǎn)能、效率與價(jià)格優(yōu)勢(shì)，仍展現(xiàn)出較強(qiáng)的行業(yè)韌性與活力，電機(jī)產(chǎn)品出口總額破200億美元，創(chuàng)歷年新高。受益于各國(guó)制造業(yè)明顯恢復(fù)，國(guó)際市場(chǎng)需求普遍增長(zhǎng)，2021年我國(guó)電機(jī)行業(yè)出口的持續(xù)增長(zhǎng)，取得驕人的成績(jī)。

在全球凈零目標(biāo)下，電機(jī)行業(yè)節(jié)能減排，綠色發(fā)展將是必由之路。2021年工信部、市場(chǎng)監(jiān)管總局聯(lián)合發(fā)布《電機(jī)能效提升計(jì)劃（2021-2023年）》，明確提出到2023年高效節(jié)能電機(jī)產(chǎn)量達(dá)到1.7億千瓦，在役高效節(jié)能電機(jī)占比達(dá)到20%以上。擴(kuò)大高效節(jié)能電機(jī)綠色供給，拓展高效節(jié)能電機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈，加快高效節(jié)能電機(jī)推廣應(yīng)用，推進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)智能化、數(shù)字化提升，將是“十四五”時(shí)期重點(diǎn)工作，電機(jī)能效提升將是大勢(shì)所趨。2021年，我國(guó)電機(jī)產(chǎn)品出口最主要的依然為中小型電機(jī)，同時(shí)大電機(jī)、微電機(jī)、發(fā)電機(jī)組等出口額同比均實(shí)現(xiàn)兩位數(shù)增長(zhǎng)。

未來(lái)的驅(qū)動(dòng)任務(wù)-無(wú)論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域-都對(duì)各個(gè)組件提出了很高的要求。基于傳統(tǒng)的制造工藝，優(yōu)化的幾何形狀通常是不可能的，結(jié)果是設(shè)計(jì)者在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典制造工藝達(dá)到了極限。而另一方面，隨著增材制造 (AM) 技術(shù)日趨成熟。盡管目前與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統(tǒng)在生產(chǎn)具有非常規(guī)拓?fù)鋬?yōu)化（TO-Topology Optimization) 結(jié)構(gòu)或小批量的零件時(shí)會(huì)大放異彩，這為電機(jī)的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。

在增材制造電機(jī)方面，與無(wú)數(shù)其他研究團(tuán)體一樣，當(dāng)前世界上的電機(jī) (EM-electric motor) 研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將大量精力轉(zhuǎn)移到將 AM-增材制造 系統(tǒng)集成到 電機(jī) 生產(chǎn)周期中，以實(shí)施更強(qiáng)大、更高效的拓?fù)鋬?yōu)化下一代電機(jī)。根據(jù)研究結(jié)果，3D打印-增材制造電機(jī)（EM）似乎只是時(shí)間問題。預(yù)測(cè)在未來(lái)幾年內(nèi)原型拓?fù)鋬?yōu)化電機(jī)組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印機(jī)器繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。

從世界范圍來(lái)看，根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，推動(dòng)3D打印用于新電力驅(qū)動(dòng)的前沿研究正在形成多個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：一種趨勢(shì)的代表案例是福特?cái)y手亞琛工大開發(fā)靈活而可持續(xù)的3D打印電動(dòng)機(jī)零部件，其聚焦點(diǎn)是銅金屬；一種趨勢(shì)的代表案例是Fraunhofer IFAM或者是exone通過(guò)更為經(jīng)濟(jì)的打印方式所實(shí)現(xiàn)的新型電動(dòng)機(jī)零件，其聚焦點(diǎn)是絲網(wǎng)打印或binder jetting粘結(jié)劑噴射3D打印；一種趨勢(shì)的代表案例是英國(guó)制造技術(shù)中心MTC所致力的完全3D打印的電機(jī)，其聚焦點(diǎn)是產(chǎn)品重新設(shè)計(jì)；最后一種趨勢(shì)的代表案例是保時(shí)捷與GKN所合作的Connactive 項(xiàng)目，其聚焦點(diǎn)是新材料與新設(shè)計(jì)的結(jié)合。

金屬增材制造方面，對(duì)于電磁材料的 AM增材制造，四種類型的3D打印系統(tǒng)使用最多。這些3D打印系統(tǒng)包括粉末床熔化金屬3D打印系統(tǒng)（包括電子束EB-PBF 和激光L-PBF 熔化）、粘結(jié)劑噴射 (BJ)金屬3D打印、定向能量沉積 (DED) 金屬3D打印和各種類似的基于擠出的方法（最常見的是熔融沉積建模——FDM）。

 軟磁材料的增材制造

軟磁材料用于電機(jī)結(jié)構(gòu)中用于磁場(chǎng)傳導(dǎo)。該材料具有高磁導(dǎo)率（比真空高 103 倍）和窄磁滯回線（低矯頑場(chǎng)）：材料循環(huán)磁化所需的能量最小。對(duì)于電力設(shè)備，這些材料的三個(gè)最重要的特性是低功率損耗（高效率）和低材料價(jià)格點(diǎn)的高飽和極化（高功率密度）。

軟磁材料種類繁多，成本和性能差異很大，對(duì)于低開關(guān)頻率應(yīng)用（50-60 Hz），這些特性之間的最佳平衡可以在結(jié)晶硅鋼合金中找到。在更高 (kHz/MHz) 的工作頻率下，非晶和納米晶材料在損耗方面要優(yōu)越得多，它們的成本更高。在更高的功率密度至關(guān)重要的領(lǐng)域（例如，航空航天），鈷基合金是經(jīng)常使用的材料。

無(wú)論是通過(guò)減材還是增材制造，實(shí)現(xiàn)用于電機(jī)應(yīng)用的高性能軟磁材料在技術(shù)上都具有挑戰(zhàn)性。首先，合金主要由具有高熔點(diǎn)和硬度的鐵磁過(guò)渡金屬（Fe、Co 和 Ni）組成，這使得它們的鑄造、CNC機(jī)加工或3D打印變得復(fù)雜。

其次，它們的磁特性在很大程度上取決于材料結(jié)構(gòu)：例如，晶體結(jié)構(gòu)、元素組成以及材料中存在的任何殘余應(yīng)力或雜質(zhì)。由于測(cè)試樣品設(shè)計(jì)和測(cè)量方法的顯著差異，研究人員獲得的軟磁材料特性的比較也很復(fù)雜。

軟磁材料的多樣性：在成本（a）和磁性（b）方面比較常見材料

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