根據3D科學谷的市場觀察，電動汽車的電動機定子繞組的開發通常是眾所周知的瓶頸，3D列印幾乎無需模具就可以避免這種開發障礙。由於傳統的生產涉及複雜的彎曲和焊接過程，3D列印帶來的時間節省尤其是在所謂的髮夾式繞組上得到了回報。此前，根據3D科學谷《亞琛工業大學「電動汽車零部件生產工程」在科隆與福特合作開設電動機研究基地》一文，福特與亞琛工業大學「電動汽車零部件生產工程」(PEM) 系，蒂森克虜伯系統工程，亞琛工業大學DAP學院一起，在一條生產線上開發靈活而可持續的電動機零部件生產。該項目的名稱是HaPiPro2，指的是髮夾技術，研究目標是開發靈活的製造髮夾技術及生產概念。
3D列印繞組
亞琛工業大學
根據3D科學谷，在電機中，導電材料用於以最小的焦耳熱維持電機內的電流。這些損耗主要發生在電機電磁鐵循環通電的定子繞組內。與焦耳損耗相關的主要本徵材料特性是電導率或其倒數 – 材料電阻率。對用於電機導體製造的 AM 增材製造方法的興趣是雙重的：首先，AM增材製造有助於以具有成本效益的方式製造新型高性能繞組輪廓，其次，它能夠將機電組件集成到多材料組件中。
電機組成
3D科學谷白皮書
/ 靈活性與穩定性
鑒於對電力驅動器髮夾定子的需求不斷增加，需要經濟有效的方法和方法，在滿足汽車對高過程穩定性的要求的同時考慮靈活可擴展的工藝需求。現有的髮夾製造方法通常基於高度受限的產品設計以及冗餘且成本密集的生產系統。因此，HaPiPro2的研究目標是設計和測試髮夾定子的製造、生產和工藝設計，該設計在靈活性和工藝穩定性方面進行了優化。將通過靈活且工藝穩定的髮夾定子示範生產來衡量從線材成型到二次絕緣的所有步驟。從而能夠從整體上觀察整個製造過程，以確定交叉生產技術對過程控制的依賴性——例如不同線厚對雷射接觸的影響。
根據3D科學谷的了解，到2024年2月底HaPiPro2項目結束時，研究團隊將開發出創新且靈活的髮夾產品工藝概念，並在單個工藝和整體工藝水平上進行測試；並將開發的工藝快速集成到工藝鏈中以實現高速創新；還將通過高度的數字化以識別產品特性和工藝參數之間的相互依賴性，從而提高髮夾定子生產的工藝靈活性和工藝穩定性。
通過亞琛工業大學「電動汽車零部件生產工程」（PEM）系與福特在科隆的福特工廠合作的1,000 平方米的電動機研究場地，「HaPiPro2」項目中的眾多知名工業合作夥伴一起對電動機的生產進行研究，通過科隆的福特工廠內的一條原型演示線，對電動機組件的不同變體進行性能和效率測試，這些測試數據對於延伸到生產領域的應用至關重要，最終推動福特德國的生產基地發展。
/ 可擴展的生產工藝
根據3D科學谷《導電材料的增材製造及全篇總結 l 3D列印+拓撲優化=下一代電機》一文，電動機的最大輸出功率由於其預熱而受到限制，例如由於允許的繞組溫度而受到限制。通常有兩個提高功率限制的槓桿：首先，以相同的功率減少損耗，其次，改善散熱。繞組的設計在這裡起主要作用，因為它是主要的熱源。
全球車輛的持續電氣化導致電力牽引驅動器（e-drive）在汽車行業中的重要性日益增加。未來，幾乎每輛道路車輛都預計將至少配備一台電動機——無論它們是純電池驅動的汽車、燃料電池汽車、輕度混合動力汽車還是插電式混合動力汽車。
新能源汽車所應用的驅動電機類型以交流異步電機與永磁同步電機為主。其中，日韓車系多採用永磁同步電機，歐美車系則多採用交流異步電機。而永磁同步電機藉助其功率密度高、能耗低、體積小、重量輕等優勢，已成為中國新能源汽車中最廣泛應用的驅動電機。據中國工信部數據顯示，截至2019年6月，中國國內驅動電機裝機量達到65萬台，其中永磁同步電機占據市場份額的99%。
永磁同步電機主要由定子、轉子與繞組、端蓋等機械結構組成。其中，定子與轉子鐵芯的質量與性能直接決定了驅動電機的能效及穩定性等關鍵指標，價值占比分別達到永磁同步電機總價值的19%與11%。
3D科學谷白皮書
永磁同步電機驅動創新的一個關鍵領域是使用髮夾設計的定子生產。與傳統的繞線技術相比，在髮夾技術中，電動機的銅繞組採用插入式線圈設計，由實心電導體構成。為此，銅線首先被三維彎曲成U形，然後通過各種組裝、成型操作完成，形成電氣閉合的「繞組」。其中， 「髮夾」這個名稱源於銅導體的髮夾形幾何形狀。
根據公開資料，扁線電機是新能源汽車驅動電機下一階段的大勢所趨，其戰略意義不言而喻，其中，國內已出現生產扁線電機的風潮，扁線代表企業包括精達股份、長城科技、金杯電工、冠城大通等。預計未來五年中國新能源汽車驅動電機行業市場規模將保持穩定增長態勢，到2024年有望突破150.8億元人民幣，年均復合增長率達到6.5%。
/ 挑戰與機遇
讓銅的填充率更高，3D列印在這方面具備獨特的優勢。根據3D科學谷的了解，目前主要有四種途徑加工銅金屬，一種是PBF金屬3D列印技術類別中的EBM電子束熔化金屬3D列印技術；一種是PBF金屬3D列印技術類別中的L-PBF雷射選區熔化金屬3D列印；一種是BJ粘結劑噴射金屬3D列印；第四種是FDM擠出式3D列印，不過根據3D科學谷的市場研究，當前FDM擠出式3D列印銅合金的電導率還不足以滿足電機的應用。在這方面，市場上熟知的L-PBF選區雷射金屬熔化3D列印技術以及Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D列印技術是目前最為主的應用技術。
根據3D科學谷的市場研究，針對銅對雷射的反射特點，克服粉末床雷射銅增材製造挑戰的思路是調整雷射波長。較大的波長會降低雷射吸收率，而隨著較短的雷射波長而增加。波長約為 520 nm 的綠色和藍色雷射將雷射吸收率提高到 40%
通過電子束熔化（Cu 吸收大約80% 的能量）或綠色和藍色雷射熔化（Cu吸收高於40%的能量），可以實現更有效的金屬粉末熔化。值得注意的是，銅是出色的電導體通常也是出色的熱導體，這會帶來額外的3D列印挑戰。在 PBF 金屬粉末熔化3D列印工藝中，這會導致熱能從熔池中快速傳導出來，從而導致局部熱梯度很高，可能導致分層、變形和零件故障。
3D列印的銅金屬相對密度和電導率之間大致呈線性關係——範圍從~50-60% IACS（相對密度~85%）到~96-102% IACS（接近全密度）。根據3D科學谷的了解，目前通過電子束EBM金屬3D列印可獲得高達102% IACS的電導率，通過綠色雷射的選區金屬熔化金屬3D列印 L-PBF 技術可獲得高達98.6%的電導率。
此外，使用高功率 2000W（1070 nm 雷射）L-PBF 3D列印系統列印的 Cu-Cr合金表現出接近等效的 98% IACS 電導率。
3D列印帶來的創新潛力在於基於裝配的髮夾定子設計，通過增材製造可以實現更緊湊、更強大的驅動以及適合大批量生產的更經濟的生產工藝。