Come l’AM sta inaugurando una nuova generazione di veicoli elettrici

Il primo e più importante vantaggio che la manifattura additiva sta offrendo alla nuova generazione di veicoli elettrici è la capacità di prototipare e sviluppare rapidamente intere famiglie di auto basate su architetture molto diverse rispetto ai precedenti veicoli ICE e ibridi. Con molte meno parti mobili nel gruppo propulsore, il design della carrozzeria e la personalizzazione definiranno i tratti distintivi dei nuovi veicoli elettrici

Oltre a questo vantaggio consolidato, AM offrirà anche un valore sempre maggiore nella produzione di piccoli volumi con una velocità di immissione sul mercato più rapida. Questo è un vantaggio chiave per tutte le tecnologie successive e per i nuovi prodotti che sfidano lo status quo stabilito. L’industria spaziale è una chiara indicazione, con dozzine di nuove startup spaziali in grado di portare prodotti sul mercato grazie all’AM eliminando la necessità di economie di scala. Qualcosa di simile può accadere anche nel segmento dei veicoli elettrici, con nuove startup in grado di entrare nel mercato e grandi aziende più aperte alla sperimentazione e all’innovazione.

Con una domanda inferiore e prodotti più personalizzati, aumenta il valore dell’utilizzo della stampa 3D. Con i polimeri, le parti AM possono essere competitive fino a lotti di 100.000 unità. Questo vale per piccoli componenti complessi, ma le tecnologie LFAM stanno diventando più competitive, specialmente per piccoli lotti di parti, necessarie quando un nuovo prodotto viene introdotto per la prima volta sul mercato. Questa è una configurazione ideale per startup e nuovi progetti.

Con l’aumentare dei volumi di veicoli elettrici, aumenterà anche la produttività delle macchine AM. Questo è certamente vero oggi per le parti in polimero e composito, ma nel prossimo futuro potrebbe diventare ancora più praticabile per le parti in metallo. Allo stesso tempo, è probabile che i veicoli elettrici utilizzeranno più parti in composito e polimero per la sostituzione del metallo rispetto agli attuali veicoli ICE.

Le rapide iterazioni di prototipi tramite tecnologie di estrusione, stereolitografia e sinterizzazione laser sempre più accessibili, inclusi concetti a grandezza naturale tramite tecnologie LFAM, come Massivit e Ingersoll Masterprint, e strumenti personalizzati (compresi strumenti compositi molto grandi), sono tutti elementi chiave che accelerano lo sviluppo di nuovi veicoli e più conveniente.

Un’altra area in cui AM potrebbe contribuire ad accelerare l’industria dei veicoli elettrici è il magazzino digitale (e la produzione di pezzi di ricambio su richiesta). La produzione verrà infine distribuita in qualsiasi luogo con sistemi di produzione digitale in atto semplicemente inviando un file, consentendo una catena di approvvigionamento più efficiente e sostenibile. In combinazione con il processo di produzione semplificato per i veicoli elettrici, con molte meno parti mobili in generale, ciò potrebbe portare a micro fabbriche locali di veicoli elettrici. Inoltre, poiché molti nuovi attori nella scena dei veicoli elettrici non hanno dinamiche di supply chain di lunga data a cui devono attenersi, è probabile che siano più aperti all’adozione di una dinamica di supply chain digitale.

Il vantaggio in termini di costi della stampa 3D dovrebbe essere quantificato osservando l’intera struttura di valore che la circonda, ma ci sono alcune parti in particolare in cui questi vantaggi possono essere più evidenti. Diamo un’occhiata a loro.

Parti di carrozzeria per veicoli elettrici

La società di veicoli elettrici Local Motors è stata la prima a dimostrare la capacità di stampare in 3D intere carrozzerie utilizzando le tecnologie di stampa 3D composita LFAM. L’azienda ha appena chiuso, non riuscendo a entrare con successo nel competitivo e stimolante mercato dei veicoli autonomi, tuttavia, AM ha offerto all’azienda le migliori possibilità possibili per avere successo.

Dopo aver stampato in 3D la prima carrozzeria intera, la Strati e i suoi successori, a partire dal 2014, Local Motors ha seguito lo shuttle Olli smart EV, che ha integrato una carrozzeria interamente stampata in 3D. Ad esempio, il team ha stampato in 3D le strutture superiore e inferiore di Olli da materiale in policarbonato riciclabile di SABIC (LNP THERMOCOMP), utilizzando la tecnologia di stampa 3D di estrusione di grande formato LSAM di Thermwood.

La chiusura di Local Motors è legata alla mancanza di domanda di AV piuttosto che all’incapacità di soddisfare tale domanda in modo conveniente: l’installazione dei suoi veicoli in 24 siti in tutto il mondo fino ad oggi non è stata sufficiente per sostenere e finanziare la sua continua attività . Eppure Local Motors è stata responsabile di un vasto numero di novità nel settore AM, compreso l’uso delle tecnologie LFAM (prima di Cincinnati Inc e poi di Thermwood) e del materiale composito LFAM di SABIC, per produrre parti finali automobilistiche di grandi dimensioni. Semmai, Local Motors avrebbe dovuto essere più fedele alla sua natura di azienda di stampa 3D, continuando a enfatizzare e sviluppare questo metodo di produzione e prendendo di mira altre applicazioni LFAM insieme a OLLI per espandere la propria attività.

Mentre la produzione AM di componenti della carrozzeria dei veicoli elettrici non è ancora arrivata alla produzione di massa, altre aziende stanno seguendo le orme di Local Motors, o almeno intendono farlo.

Uno di questi è XEV, azienda italo-cinese che ha sviluppato e lanciato commercialmente lo YOYO, la sua prima city car completamente elettrica (si guida dai 16 anni con la patente B1). L’azienda utilizza la stampante 3D BigRep PRO LFA per stampare parti personalizzabili della carrozzeria dell’auto, sebbene il suo obiettivo sia utilizzare AM per molti più elementi della carrozzeria dell’auto. La linea di produzione di stampa 3D di XEV intende eliminare virtualmente la necessità di strumenti limitati e ad alta intensità di risorse, ottenendo un processo di produzione flessibile ed efficiente. Questa tecnologia consente un minor numero di componenti della carrozzeria, aggiornamenti tecnici più rapidi e cicli di produzione notevolmente ridotti. Inoltre riduce drasticamente i costi di produzione, il che significa che i risparmi possono essere trasferiti ai clienti, con il risultato che lo YOYO è disponibile per poco più di € 10.000 in Italia (con incentivi EV). Grazie a un telaio pre-progettato e standardizzato, le parti stampate in 3D possono essere modificate e sostituite con una reingegnerizzazione notevolmente inferiore. Per la qualità della superficie finale, le parti stampate in 3D passano anche attraverso un processo di fresatura robotica automatizzato per garantire una superficie molto liscia.

Questi sono solo due degli esempi più evidenti di adozione dell’AM nella produzione di parti della carrozzeria dei veicoli elettrici. Altri progetti più concettuali hanno coinvolto sia grandi case automobilistiche che piccole startup innovative. In generale, le aziende più grandi, come FCA e MINI, guardano in modo più conservativo all’AM per le parti più piccole e le personalizzazioni dei loro prossimi veicoli elettrici, mentre alcune startup innovative guardano agli elementi modulari per aumentare la funzionalità. Ad esempio, la casa automobilistica svizzera Rinspeed ha proposto una visione unica per il futuro delle auto, guidata dalla modularità e dall’efficienza: il suo concetto MetroSnap è un veicolo elettrico e modulare con parti stampate in 3D che possono svolgere molteplici funzioni. Il veicolo si basa sul concetto innovativo dell’azienda in cui il telaio e la carrozzeria sono separati, consentendo la sostituzione della carrozzeria del veicolo.

Potenziale AM: a medio termine e in accelerazione, mirando al 2-3% della penetrazione del mercato dei veicoli elettrici entro il 2030

Le applicazioni AM nella produzione di parti di carrozzeria per veicoli elettrici sono iniziate come un’opportunità a lungo termine, ma si sta rapidamente avvicinando, poiché i veicoli elettrici continuano a crescere nell’adozione, aprendo nuove opportunità di produzione. Poiché si prevede che i veicoli elettrici avranno sempre meno parti in futuro, la stampa 3D avrà una penetrazione più significativa nel mercato della produzione di parti di carrozzeria per veicoli elettrici rispetto ai veicoli tradizionali.

Più specificamente, l’alleggerimento, uno dei principali vantaggi dell’implementazione dell’AM, è di fondamentale importanza per lo sviluppo dei veicoli elettrici, poiché qualsiasi peso risparmiato o una migliore distribuzione del peso aiuta a prolungare la durata della batteria. La stampa 3D può aiutare a sviluppare nuove geometrie delle parti che possono rendere il veicolo elettrico più leggero senza sacrificare la sicurezza. Come dimostrato nello sviluppo di parti aerospaziali, la riprogettazione di parti per AM con geometrie ottimizzate parametricamente può eliminare il materiale, riducendo il peso del veicolo, pur mantenendo l’integrità strutturale necessaria per la sicurezza.

AM offre anche la possibilità di eliminare gli strumenti e condensare più parti in una sola. Ciò può essere particolarmente vantaggioso per le aziende che sviluppano nuovi progetti o nuove società di avvio che desiderano entrare nel mercato.

Sistemi elettrici ed elettronica ausiliari EV

Questo mercato comprende dispositivi audio/video, telecamere, sistemi di alimentazione elettrica a bassa tensione, indicatori e contatori, componenti del sistema di accensione, sistemi di illuminazione e segnalazione, oltre a diversi tipi di sensori, interruttori elettrici, cablaggi e, naturalmente, elettronica recinzioni che dovranno essere integrate nella struttura del veicolo elettrico. In termini di applicazioni, AM è già utilizzato in modo significativo nella produzione di custodie elettroniche e interruttori personalizzati. Altre applicazioni chiave includono l’uso del rame, sia in PBF metallico che nelle tecnologie di getto di metallo legato/legante.

Le aziende di produzione di parti AM e le fabbriche AM hanno dimostrato l’efficienza in termini di costi delle custodie elettroniche per la stampa 3D (e dei prodotti correlati). Un vantaggio della stampa 3D ad alto volume è la sua capacità di produrre parti personalizzate su larga scala senza il costo degli stampi. Questa libertà consente ai prodotti di evolversi durante la produzione e riduce i requisiti di inventario. Gli involucri elettronici non possono ospitare i milioni di progetti PCB utilizzati nelle automobili, che presentano sempre più elementi elettronici. Questa tendenza aumenterà di diversi ordini di grandezza con i veicoli elettrici e con l’aumento della domanda di personalizzazione. Con la stampa 3D, gli involucri possono essere prodotti su richiesta, poiché le parti vengono vendute, senza costi di stampaggio.

Nano Dimension si è specializzata nello sviluppo e nella produzione di componenti elettronici tramite stampa 3D. Con l’aumento della domanda di Smart Mobility e dispositivi connessi a Internet (IoT), l’industria basata sui polimeri è alla ricerca di nuovi modi per sviluppare dispositivi innovativi e funzionali, con applicazioni che offrano efficienza, prestazioni migliorate e convenienza. Il sistema DragonFly di Nano Dimension è una tecnologia ideale per accelerare lo sviluppo interno dell’elettronica e aumentare la libertà di progettazione per sviluppare nuovi prodotti, in modo rapido ed economico.

L’elettronica additiva consente la prototipazione rapida e la produzione di componenti conduttivi, sensori incapsulati e superfici intelligenti, che possono offrire ai produttori di automobili la flessibilità di stampare un intero circuito stampato o solo una parte di un connettore, nonché la capacità di sviluppare RF e digitale sezioni del tabellone in parallelo per testare i concetti al volo. Tutto ciò può portare allo sviluppo di elettronica personalizzata, inclusi sensori incorporati, geometrie conduttive, dispositivi connessi stampati, PCB e altro ancora, che possono diventare la spina dorsale di componenti automobilistici innovativi che miglioreranno l’esperienza del conducente.

Allo stesso modo, Rogers Corporation ha collaborato con Fortify3D per sviluppare la famiglia di prodotti Radix 3D Printable Dielectrics, con il primo materiale disponibile caratterizzato da una costante dielettrica di 2,8 e caratteristiche di bassa perdita alle frequenze delle microonde . Questi materiali dielettrici stampabili offrono ai progettisti di radiofrequenze (RF) una libertà di progettazione senza precedenti nella creazione di nuovi componenti, come le applicazioni dei radar automobilistici per la frenata automobilistica e la prevenzione delle collisioni, eliminando la necessità di considerare i tipici vincoli di progettazione della produzione.

Potenziale AM: penetrazione di mercato a breve termine e moderata fino al 2-3% entro il 2030

Si prevede che l’applicazione dell’AM nella produzione di componenti elettronici, in particolare custodie e interruttori, aumenterà rapidamente fino ai livelli di produzione in serie, man mano che i motori a combustione diventano più compatti e i veicoli elettrici diventano più snelli. La stampa 3D polimerica con materiali ad alta temperatura consente già la produzione di diversi componenti sotto il cofano. Con i veicoli elettrici e, in generale, i veicoli intelligenti, l’adozione dell’AM dovrebbe essere ancora più significativa, poiché le temperature diventano un problema minore (al di fuori delle batterie) e aumenta la necessità di componenti elettronici complessi.

Parti elettrificate del gruppo propulsore e applicazioni AM

La dimensione globale del mercato dei propulsori elettrici è stimata intorno ai 20 miliardi di dollari nel 2020, con una crescita fino a quasi 40 miliardi di dollari entro il 2027.

Diverse parti del gruppo propulsore e del telaio sono comuni sia ai veicoli con motori a combustione interna che ai veicoli elettrici, sebbene possano assumere forme diverse. Molti di questi sono stati stampati in 3D in qualche forma, a partire dal progetto di supercar ibrida Czinger 21C di alto profilo, che integra una serie di parti stampate in 3D. Czinger utilizza metodi di produzione additiva per creare componenti progettati per le prestazioni, incluso il telaio derivato dal predecessore del progetto, la supercar Blade, prodotta utilizzando la tecnologia PBF in metallo di SLM Solutions.

Bugatti è un altro importante produttore di supercar con motore a combustione che si sta avvicinando all’elettrificazione dopo l’acquisizione da parte di Rimac. Bugatti ha utilizzato AM su una serie di parti, tra cui le rivoluzionarie pinze dei freni in titanio stampate in 3D. Più recentemente, l’azienda ha prodotto componenti ibridi, come l’albero di trasmissione ausiliario lungo 0,5 metri, combinando fibre di carbonio con un raccordo terminale in titanio stampato in 3D per ridurre il peso di circa la metà a 1,5 chilogrammi e aumentare le prestazioni grazie alla riduzione della rotazione masse. Rimac utilizza anche la stampa 3D fin dall’inizio, quando l’azienda si è rivolta a Materialise nel 2011 per produrre parti interne per la sua Concept_One, una delle prime hypercar elettriche al mondo. Quando si tratta di hypercar, Lamborghini è un altro marchio importante che sta guardando sia all’elettrificazione che alla stampa 3D.

I veicoli elettrici utilizzano l’elettricità risparmiata nella batteria per far funzionare il motore e generare la potenza necessaria per la guida. Pertanto, i veicoli elettrici non hanno bisogno del motore e della trasmissione, i due componenti più cruciali per i veicoli a combustione interna. Invece, i veicoli elettrici trasportano diversi componenti per l’energia elettrica: il motore, la batteria, il caricabatterie di bordo e l’unità di controllo dell’energia elettrica (EPCU). Sono tutti componenti essenziali per ottenere la conversione dell’elettricità della batteria in forza cinetica.

Il motore è anche un generatore elettrico: converte l’energia cinetica generata durante la marcia in folle (cioè mentre l’auto è in discesa) in energia elettrica risparmiata dalla batteria. La stessa idea di risparmio energetico si applica quando l’auto sta rallentando.

Nei motori elettrici, un focus particolarmente interessante per AM è il rame. L’azienda tedesca Additive Drives ha presentato casi applicativi promettenti. Uno, in collaborazione con il Racetech Racing Team eV di TU Freiberg, prevede bobine singole stampate in 3D utilizzate sul motore da corsa. In un altro progetto, gli avvolgimenti a forcina in rame stampati in 3D hanno ridotto a un mese il tempo necessario per lo sviluppo e la produzione di un prototipo di motore di trazione elettrica. Inoltre, Binova, produttore di pedelec con sede a Dresda, ha realizzato la produzione diretta di singoli lotti: utilizzando singole bobine stampate in 3D, Binova ha prodotto diversi tipi di biciclette elettriche con un design del motore elettrico non convenzionale e senza regolazioni degli utensili. Più recentemente, Porsche e SLM Solutions hanno rivelato un progetto incentrato sulla produzione di un alloggiamento completo per un motore elettrico utilizzando la stampa 3D. L’alloggiamento E-Drive stampato in 3D sull’unità motore-cambio prodotto utilizzando il processo di fusione laser additiva ha superato tutti i test di qualità e stress. In futuro, questo potrebbe diventare un metodo di produzione praticabile.

Nei veicoli elettrici, il riduttore è una sorta di trasmissione che serve a trasmettere efficacemente la potenza del motore alle ruote. Il motore ha un numero di giri molto più elevato rispetto a quello di un motore a combustione interna, quindi con il numero di giri ridotto, il gruppo propulsore EV può sfruttare la coppia più elevata risultante. Questa parte è un componente metallico abbastanza complesso che potrebbe essere ottimizzato con AM per una produzione rapida, prestazioni migliori e riduzione del peso in futuro. L’unità di controllo dell’energia elettrica è un altro involucro complesso che potrebbe trarre vantaggio dai processi AM. Include l’inverter, che converte la corrente continua della batteria in corrente alternata e viene utilizzato per controllare la velocità del motore; il Convertitore DC-DC Bassa Tensione, che alimenta i vari sistemi elettronici del veicolo; e l’unità di controllo del veicolo. La VCU sovrintende a quasi tutti i meccanismi di controllo della potenza del veicolo,

batterie per veicoli elettrici

Nel 2019, il mercato globale dei veicoli elettrici a batteria ha raggiunto una dimensione di quasi 50 miliardi di dollari. Le proiezioni prevedono un aumento del mercato di un tasso di crescita annuo composto del 14,1% tra il 2019 e il 2030, pari a oltre 212 miliardi di dollari nel 2030, come mostrano i dati di NMSC.

La batteria accumula energia elettrica ed è l’equivalente di un serbatoio di carburante in un motore a combustione interna: maggiore è la capacità, maggiore è la distanza percorsa. Tuttavia, anche le dimensioni e il peso della batteria hanno grandi implicazioni sulle prestazioni del veicolo. Una batteria più grande e più pesante toglie spazio all’abitacolo/stivaggio e peggiora l’efficienza energetica e il risparmio di carburante. Il modo migliore per ottimizzare le prestazioni, quindi, è massimizzare la densità energetica della batteria, ovvero disporre di una batteria piccola e leggera che immagazzini quanta più energia elettrica possibile.

Le batterie sono complicate e particolarmente interessanti per l’AM in un futuro (che si avvicina rapidamente). Sono stati compiuti diversi sforzi per produrre batterie utilizzando diverse tecnologie di stampa 3D, sia con materiali polimerici che ceramici. Poiché le batterie possono assumere molte forme e dimensioni diverse per migliorare l’efficienza, l’AM potrebbe rivelarsi fondamentale per testare, e infine produrre, diverse nuove iterazioni di progettazione. Le batterie utilizzate oggi nei veicoli elettrici sono fondamentalmente file di centinaia di batterie di piccole dimensioni fissate insieme per aumentare la capacità. Il pacchetto Tesla da 85 kWh, ad esempio, è composto da 7.104 celle grandi all’incirca come AA. Con la stampa 3D, le singole celle non devono essere prodotte e assemblate: il modulo può essere progettato e stampato nella forma complessiva desiderata. AM può anche fare la differenza nella struttura degli elettrodi di una batteria:

L’azienda svizzera Blackstone Resources ha recentemente raggiunto una serie di importanti traguardi per la sua tecnologia di stampa 3D proprietaria per stampare batterie allo stato solido (SSB) agli ioni di litio. Il processo di stampa 3D di Blackstone afferma di offrire vantaggi sostanziali rispetto ai design convenzionali delle celle della batteria che utilizzano elettroliti liquidi. Questi includono costi notevolmente inferiori, un livello più elevato di flessibilità di produzione, per quanto riguarda il formato della cella, e un aumento del 20% della densità energetica. Inoltre, utilizzando questa tecnologia, il numero di materiali che non immagazzinano energia (come rame e alluminio) potrebbe essere ridotto fino al 10%. L’azienda svizzera ha inoltre sviluppato un flusso di lavoro per produrre in serie queste batterie nel 2021 in qualsiasi forma utilizzando la tecnologia di stampa delle batterie proprietaria.

Blackstone non è l’unica azienda che sviluppa SSB stampati in 3D. Negli Stati Uniti, la società Sakuú Corporation (ex Keracell) ha raccolto 62 milioni di dollari per finanziare lo sviluppo di una tecnologia AM multi-materiale multi-processo automatizzata per produrre SSB stampati in 3D.

Nel periodo 2020-2021, Sakuú ha aumentato la densità energetica della sua batteria di prima generazione da 40 Wh/l a 600 Wh/l, aumentando il numero di strati di celle da 1 a 30 e aumentando la capacità delle celle da 2,3 mAh a 3000 mAh, stabilendo un nuovo punto di riferimento nella corsa per SSB per veicoli elettrici. Queste batterie saranno molto competitive con le attuali batterie agli ioni di litio in termini di densità energetica, apportando al tempo stesso i vantaggi intrinseci in termini di sicurezza della tecnologia a stato solido. La società ha riferito di essere sulla strada della piena commercializzazione dei suoi SSB di prima generazione, puntando a una produzione ad alto volume nella seconda metà del 2022. L’anno scorso, Sakuú ha anche stampato la prima batteria SSB completamente in ceramica al mondo come prima dimostrazione del suo secondo -generazione ASSB (All-Solid State Battery).

Potenziale AM: da medio a lungo termine e molto significativo con una penetrazione del mercato superiore al 5% entro il 2030

Nei propulsori dei veicoli elettrici, l’uso della produzione additiva è particolarmente efficace per la riduzione delle parti, portando alla riduzione del peso e al miglioramento delle prestazioni. La riduzione delle parti, a sua volta, consente un maggiore chilometraggio. Tuttavia, l’effettiva penetrazione della produzione additiva nei veicoli elettrici, al di là delle applicazioni condivise con i propulsori dei motori a combustione, come telaio, freni e applicazioni di flusso dei fluidi, dipende fortemente dalla capacità di implementare la produzione additiva nella produzione di batterie in serie. Sforzi rilevanti in questo ambito sono già in corso, ma mancano ancora alcuni anni affinché diventi una consolidata opportunità di business.

Questo articolo è una versione modificata e aggiornata dell’analisi apparsa per la prima volta nell’eBook AM Focus Automotive 2022 di 3dpbm, pubblicato nel febbraio 2022.