■臺灣科技大學高速3D列印中心 / 劉書丞
前言
「今日，美國道路上已有超過200萬輛電動汽車(Electric vehicle, EV)，我們預計這個數字可能會在十年內增長到多達2200萬」，愛迪生電器學會(EEI)總裁Tom Kuhn在Real Clear Energy專欄中如此說道。
隨著國際對減少碳排放議題越來越重視，並且開始禁止新的汽油動力汽車進入市場，現代交通方案的變革正在重新定位汽車行業。為響應逐步減少化石燃料的行動，在第26屆聯合國氣候變遷大會(COP26)中，包括福特汽車、通用汽車、賓士等在內的11家汽車製造商，承諾主要市場將於2035年以前全部銷售零碳新車，屆時電動車將成為汽車產業主流。其中3D列印又稱為積層製造(Additive Manufacturing)，正是汽車產品輕量化、提升性能的絕佳途徑，對此各車廠正嘗試使用3D列印技術製造高性能的汽車零配件，以期在這場能源角逐中取得競爭優勢。
3D列印如何在汽車製造中發揮？
加速產品設計
車輛的生產製造皆由原形設計開始，若採用傳統加工方式，通常會是一個既耗時且高花費的過程；而藉由3D列印製程，則可在數天內即製造出一些零件原型，無論是儀表板、後視鏡乃至發動機部件等，對於一項新概念產品的演示以及性能驗證起到關鍵作用，藉此提供製造者在批量生產之前即產發現問題並修正，允許工程團隊加速整體車輛的開發週期。
零件高性能化、客製化
除卻傳統加工刀具的限制，3D列印用於實現各種簍空、晶格結構設計，並且可透過拓樸結構優化等方式減少使用的材料，與此同時符合零件的性能需求，藉由減少結構重量進而提升車輛能源的使用效率。3D列印亦可將多個組裝部件整合為一體，從而減少結構銜接部位產生的弱點。製造商可以與傳統技術結合，為不同客需求量身訂製專屬零部件，提供更加獨特與舒適的體驗。
解決備品問題
倘若讀者擁有一臺60、70年代的老車，它已有數個零件不敷使用，為這輛車尋找替代零件是一件令人困擾的議題，畢竟對於一項過時良久的產品，零件開發商不一定保有足夠的庫存。而今利用3D列印技術，製造商僅需要保留一個CAD檔即可快速地重現該零件，這對於小批量、低需求零件的按需供應提供絕佳的解決途徑。
應用案例
車體3D列印
美國汽車製造商Local Motor與義大利汽車製造商XEV皆致力於發展車輛的3D列印，Local Motor曾推出一款為設計用於城市中心、校園、醫院設計的3D列印自動穿梭巴士Olli，使用橡樹嶺國家實驗室ORNL的大面積積層製造系統生產包括車頂、車身等大部分組件。而XEV則借助3D列印開發低速電動車LSEV，藉由大面積的熔融擠出技術生產57項塑料部件，整體重量僅450公斤。
汽車支架、組件3D列印
汽車內各部位的支架是相當小型且普遍的零件，在3D列印未普及之前，它們的設計極受傳統加工法的限制。而現今借助3D列印技術與Design for Additive Manufacturing (DfAM)理念的的推廣，可以更大幅度的優化車輛零件。保時捷利用3D列印結合蜂窩晶格結構製造鋁合金驅動器外殼，相較傳統鑄件減輕了10%的重量並擁有相同的強度。另外也可賦予特殊應用，例如在零件上製造QR-code用於識別。
快速生產模具
3D列印技術於製造者的應用不僅限於車輛本身零件。為了提升電動發動機的性能，必須測試各種電機外殼的變化，在3D列印公司voxeljet的案例中藉由黏著劑噴射(Binder Jeting)技術在無工具加工下生產鑄模。
電動車供電系統
在各國，電動車充電站的部署正在迅速擴展，針對某些地區對於正規充電系統存在規劃與建置障礙，以及當前全球零部件短缺問題。例如英國在2022年起將在新建置房屋中強制使用電動汽車充電器，針對不同房屋的需求，充電器製造商可藉由3D列印快速建置並投入使用。
結語
不論是汽車或是電動車，3D列印正快速地涉入車輛與車輛周邊製造產業，除了常見的結構輕量化設計、輔助製造工具與客製化服務，在3D列印材料方面也有不少的進展，包括容許在零下30度的結構材料開發，另外也有學者正著手研究高效能的電動車電池等。隨著技術成熟與鞏固，穩定的大型、大面積製造系統被開發，3D列印在車輛領域的開發將變得更加主流。
參考資料
- 封面圖為加拿大AK International Motor正採用SLA技術開發的電動車，圖片引用自https://www.customprototypes.ca/post/3d-printed-electric-vehicle-prototype
- https://www.techsciresearch.com/blog/3d-printing-aiding-the-electric-vehicles-industry/269.html
- https://ukcop26.org/
- https://amfg.ai/2019/05/28/7-exciting-examples-of-3d-printing-in-the-automotive-industry/
- https://www.xev-global.com/
- https://3dprinting.com/automotive/porsche-demos-3d-printing-for-electric-vehicles/
- https://www.voxeljet.com/case-studies/automotive/electric-motor-housing-from-the-3d-printer/
