（二）磁體的增材制造：3D打印+拓撲優化=下一代電機
隨著3D打印技術的發展，3D打印從打印電動機外殼，到定子繞組，到電動機，在獲得不斷的突破。本期針對磁體的3D打印，與網友一起來深入了解磁體3D打印的發展現狀。
3D打印電機與電機市場
強韌的發展與活力
根據中國機電產品進出口商會，2021年，盡管全球疫情帶來國際海運、原材料價格大幅波動，電力供應緊張等多重困難，我國電機行業以完整的供應鏈、龐大產能、效率與價格優勢，仍展現出較強的行業韌性與活力，電機產品出口總額破200億美元，創歷年新高。受益于各國制造業明顯恢復，國際市場需求普遍增長，2021年我國電機行業出口的持續增長，取得驕人的成績。
在全球凈零目標下，電機行業節能減排，綠色發展將是必由之路。2021年工信部、市場監管總局聯合發布《電機能效提升計劃（2021-2023年）》，明確提出到2023年高效節能電機產量達到1.7億千瓦，在役高效節能電機占比達到20%以上。擴大高效節能電機綠色供給，拓展高效節能電機產業鏈，加快高效節能電機推廣應用，推進電機系統智能化、數字化提升，將是“十四五”時期重點工作，電機能效提升將是大勢所趨。2021年，我國電機產品出口最主要的依然為中小型電機，同時大電機、微電機、發電機組等出口額同比均實現兩位數增長。
未來的驅動任務-無論是在工業領域還是交通領域-都對各個組件提出了很高的要求。基于傳統的制造工藝，優化的幾何形狀通常是不可能的，結果是設計者在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動機的經典制造工藝達到了極限。而另一方面，隨著增材制造 (AM) 技術日趨成熟。盡管目前與傳統生產方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統在生產具有非常規拓撲優化（TO-Topology Optimization) 結構或小批量的零件時會大放異彩，這為電機的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。
在增材制造電機方面，與無數其他研究團體一樣，當前世界上的電機 (EM-electric motor) 研發團隊已將大量精力轉移到將 AM-增材制造 系統集成到 電機 生產周期中，以實施更強大、更高效的拓撲優化下一代電機。根據研究結果，3D打印-增材制造電機（EM）似乎只是時間問題。預測在未來幾年內原型拓撲優化電機組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印機器繞組、熱交換器和同步轉子上。
從世界范圍來看，根據3D科學谷的市場觀察，推動3D打印用于新電力驅動的前沿研究正在形成多個發展趨勢：一種趨勢的代表案例是福特攜手亞琛工大開發靈活而可持續的3D打印電動機零部件，其聚焦點是銅金屬；一種趨勢的代表案例是Fraunhofer IFAM或者是exone通過更為經濟的打印方式所實現的新型電動機零件，其聚焦點是絲網打印或binder jetting粘結劑噴射3D打印；一種趨勢的代表案例是英國制造技術中心MTC所致力的完全3D打印的電機，其聚焦點是產品重新設計；最后一種趨勢的代表案例是保時捷與GKN所合作的Connactive 項目，其聚焦點是新材料與新設計的結合。
金屬增材制造方面，對于電磁材料的 AM增材制造，四種類型的3D打印系統使用最多。這些3D打印系統包括粉末床熔化金屬3D打印系統（包括電子束EB-PBF 和激光L-PBF 熔化）、粘結劑噴射 (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
軟磁材料用于電機結構中用于磁場傳導。該材料具有高磁導率（比真空高 103 倍）和窄磁滯回線（低矯頑場）：材料循環磁化所需的能量最小。對于電力設備，這些材料的三個最重要的特性是低功率損耗（高效率）和低材料價格點的高飽和極化（高功率密度）。
軟磁材料種類繁多，成本和性能差異很大，對于低開關頻率應用（50-60 Hz），這些特性之間的最佳平衡可以在結晶硅鋼合金中找到。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越得多，它們的成本更高。在更高的功率密度至關重要的領域（例如，航空航天），鈷基合金是經常使用的材料。
無論是通過減材還是增材制造，實現用于電機應用的高性能軟磁材料在技術上都具有挑戰性。首先，合金主要由具有高熔點和硬度的鐵磁過渡金屬（Fe、Co 和 Ni）組成，這使得它們的鑄造、CNC機加工或3D打印變得復雜。
其次，它們的磁特性在很大程度上取決于材料結構：例如，晶體結構、元素組成以及材料中存在的任何殘余應力或雜質。由于測試樣品設計和測量方法的顯著差異，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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