深度解析 | 3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用

導(dǎo)讀：1986年3D印刷機在美國誕生,，拉開了3D打印技術(shù)發(fā)展的帷幕,。30多年來，3D打印技術(shù)得到了飛速發(fā)展和廣泛的應(yīng)用,，以至于英國《經(jīng)濟學(xué)人》雜志將其推崇為“第三次工業(yè)革命”,，美國政府將3D打印技術(shù)作為制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務(wù)。

3D打印技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在有多種技術(shù)途徑,，通常根據(jù)使用材料的不同和構(gòu)建物體方式的不同進行分類,，可分為光固化成型（SLA）、電子束自由成形（EBF）,、直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）,、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）,、3DP等,。目前3D打印技術(shù)已逐步應(yīng)用于汽車、航空航天,、船舶,、醫(yī)學(xué)、建筑,、服飾,、食品等多個領(lǐng)域,。

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一,、3D打印在汽車制造中的應(yīng)用
1. 3D打印汽車的發(fā)展歷程
2010年11月，世界第一輛3D打印汽車問世,，這是由美國Jim Kor團隊研發(fā)的采用3D打印技術(shù)制造的6︰1模型車,，名叫Urbee。2013年初第一臺原型車Urbee2誕生,，Urbee2一半以上的零件是由3D打印的,。

2014年，第一輛3D打印電動車Strati橫空出世,，這是一輛只有40個零部件的3D打印汽車,，整個打印時間僅44小時。

2015年,，美國DM公司打造了全球第一款3D打印跑車——刀鋒（見圖1）,，該車采用3D打印汽車零部件,，然后人工組裝而成。同年,，三亞思海3D公司研發(fā)出了中國的3D打印汽車,。

2016年，全球七大3D打印概念車面市,，世界各大品牌汽車紛紛推出了自己的最新設(shè)計,。2019年，國內(nèi)XEV公司設(shè)計出世界第一款量產(chǎn)3D打印電動汽車,。

2. 3D打印技術(shù)在汽車業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然關(guān)于3D打印汽車的新聞屢有報道,，但是細心的讀者不難發(fā)現(xiàn)，3D打印汽車這個概念的宣傳力度大于實際應(yīng)用,，以上述七大概念車為例,，3D打印組件僅占整車中很小的一部分，而且還是非承力件,。因此有分析人士認為,，3D打印汽車更多的是在宣傳一種技術(shù)發(fā)展理念，通過這一理念來拉動消費,，并不是真的要采用3D打印來生產(chǎn)汽車,。

然而，3D打印作為一項新興技術(shù)有其獨特的優(yōu)越性,，依然在汽車業(yè)中有著許多成功的應(yīng)用案例,。下面從汽車設(shè)計、制造和消費的不同階段來分析3D打印技術(shù)在汽車業(yè)中的應(yīng)用,。

在汽車設(shè)計階段,，3D打印可快速制作概念模型和功能原型，在產(chǎn)品研發(fā)初期大大縮短汽車零部件的驗證時間,，從而縮短汽車的研發(fā)周期,，并盡可能地降低由于設(shè)計方面的原因而造成的成本浪費。例如,，蘭博基尼采用3D打印技術(shù)研制引擎管路,，實現(xiàn)了用較短的時間完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的制作。

在汽車制造階段,，汽車的外飾包括車燈,、保險杠、徽標,、擋泥板等,，汽車的內(nèi)飾包括聲學(xué)系統(tǒng)、方向盤,、儀表板,、操作桿等,，以及底盤、車身等都成功應(yīng)用了3D打印技術(shù),。據(jù)報道,，3D打印技術(shù)的應(yīng)用在縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)成本方面發(fā)揮了重要作用,。

汽車消費階段,，也就是說汽車進入消費者手中，廠商需要對其車輛進行維保,、修復(fù),，在這一領(lǐng)域，3D打印技術(shù)可謂大展身手,。比如,，保時捷采用3D打印技術(shù)為經(jīng)典汽車生產(chǎn)零備件，奔馳公司采用3D打印的零部件修復(fù)20世紀50年代的跑車,，寶馬公司采用3D打印零件修復(fù)老舊座駕,。此外，在汽車零部件的供應(yīng)鏈中,，應(yīng)用3D打印技術(shù)已是目前各大公司的追求目標,。

3. 3D打印是噱頭還是工業(yè)革命？
在3D打印技術(shù)發(fā)展的如火如荼的時候,，也有業(yè)內(nèi)人士指出,，3D打印技術(shù)在批量生產(chǎn)方面還無法與傳統(tǒng)工業(yè)相比，標準化作業(yè)還無法大規(guī)模實現(xiàn),，打印材料遠未達到廣泛使用的要求，高性能零部件的打印技術(shù)還沒有形成,，復(fù)合型人才的缺乏等,，都限制了3D打印技術(shù)的推廣應(yīng)用，更不要說3D打印整車了,，3D打印汽車也只是一個博人眼球的噱頭而已,。

另一方面的聲音就很樂觀了。早在2014年就有學(xué)者撰文《3D打印技術(shù)顛覆汽車制造業(yè)》,，提出了3D打印技術(shù)將引領(lǐng)汽車制造業(yè)的觀點,。2016年，《美國汽車新聞》評選出全球十二大汽車行業(yè)的顛覆者,，3D打印位居榜首,。由此可見3D打印技術(shù)的先進性。

3D打印是“噱頭”還是“工業(yè)革命”,？我們應(yīng)該客觀評價3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用,，既不要抵觸,，也不要神話。作為一種新興的科學(xué)技術(shù),，3D打印有著傳統(tǒng)工藝無法比擬的優(yōu)勢,，但不可否認也存在無法克服的缺陷，我們應(yīng)該做的是盡可能的發(fā)揮其長處,，在生產(chǎn)中取得更高的效益,。

4. 3D打印汽車的發(fā)展前景
（1）分析3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用前景之前，不妨先分析一下汽車未來發(fā)展的方向特點,，歸納起來有以下四個方面,。

新能源：2019年7月1-3日，世界新能源汽車大會在海南博鰲隆重召開,，大會聚集了全球?qū)＜液途���,，就新能源汽車的�?chuàng)新、市場,、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級等問題進行研討,。近幾年來，我國的新能源汽車產(chǎn)銷量持續(xù)增長,，而新能源汽車中純電動車占比超過80%,。在全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和環(huán)境持續(xù)改善的產(chǎn)業(yè)要求下，新能源汽車將是未來汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向,。

輕量化：世界各國為提高車輛燃油效率,，減少二氧化碳的排放量，紛紛制定法律法規(guī),，以促進改善環(huán)境,。在全世界節(jié)能減排、保護環(huán)境的大背景下,，汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向之一,。

智能化：汽車產(chǎn)業(yè)的智能化可分為兩個方面，智能制造和智能駕駛,。智能制造是制造業(yè)的發(fā)展目標,，汽車行業(yè)自然也不例外。華為5G+C-V2X車載通信技術(shù)的開發(fā),，為智能駕駛提供了新的技術(shù)保障,，未來的汽車有可能像科幻片中的汽車一樣，我們坐在車里,，說出目的地,，汽車會自動、安全地將我們送到,。

個性化：個性化定制彰顯個性魅力,，滿足不同消費者的個性需求,，將是未來汽車開發(fā)的方向之一。在傳統(tǒng)生產(chǎn)模式下,，個性化定制是一部分人的消費專利,，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，個性化定制必將走入尋常百姓家,。

（2）通過以上對汽車未來發(fā)展方向的分析,，汽車的研發(fā)與制造會發(fā)生以下幾方面的變化。

汽車構(gòu)造的重新設(shè)計：有人曾經(jīng)設(shè)想,，電動汽車的研發(fā),，取代了傳統(tǒng)的發(fā)動機，整個汽車的構(gòu)造發(fā)生了重大變化,�,？蓪㈦姍C裝入輪轂中，由導(dǎo)線連接電池,，傳統(tǒng)的發(fā)動機系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)等都不需要了,，取而代之的是車載通信、音響視頻系統(tǒng)等,。

復(fù)雜構(gòu)件的制造：汽車輕量化不僅可以從使用輕型材料來實現(xiàn),，還可以從復(fù)雜構(gòu)件的設(shè)計上達到減輕重量的目的。

私人定制：汽車在保障必要功能的前提下,，其外觀和個性需求受到消費者的重視,，也是爭奪市場的有利武器，因此私人定制也是汽車制造的重點關(guān)注方向之一,。

（3）綜上所述,，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢正好將在未來汽車制造業(yè)中大顯身手，主要有以下四個方面,。

縮短研發(fā)周期,，降低研發(fā)成本：3D打印在未來汽車研發(fā)階段的應(yīng)用就不僅僅是單個零部件的試制，而是整個車的結(jié)構(gòu),、布局的研發(fā)，大概還沒人知道未來汽車是什么樣子,，誰能占領(lǐng)3D打印技術(shù)的制高點,，誰就能用最低的研發(fā)成本，不斷地推陳出新,，快速占領(lǐng)市場,。

汽車輕量化的有力武器：以往的汽車輕量化多注重輕型材料的選擇，受到生產(chǎn)工藝的限制很難從結(jié)構(gòu)上做文章,，而3D打印技術(shù)打破了這一瓶頸限制,。3D打印在生產(chǎn)多孔,、空腔類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零部件方面有其獨特的優(yōu)勢，為汽車輕量化開辟了新的發(fā)展方向,。

個性化設(shè)計：3D打印不需要傳統(tǒng)的模具設(shè)計與制造過程,，而只需要CAD設(shè)計圖形即可，因此可以使用不太高的成本來滿足不同客戶的個性化需求,，這些個性化設(shè)計包括車型,、車飾等等。例如圖2這款造型可愛的汽車,，會受到眾多愛美人士的喜愛,。

零部件供應(yīng)：3D打印零部件的供應(yīng)依然是未來汽車業(yè)的重要發(fā)展方向之一，與以往不同的是,，在3D打印技術(shù)日漸成熟之后,，3D打印所能提供的零件種類會越來越多，今后在整個零件供應(yīng)鏈中,，尤其是已經(jīng)停產(chǎn)的車型,，可能將不再有實物零件的存儲，而只要保留各零部件的相關(guān)數(shù)據(jù),，需要時打印就可以了（見圖3）,。

二、中國汽車制造業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)
3D打印技術(shù)雖然發(fā)展的時間不長,，但發(fā)展速度之快令人驚奇,，在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣泛，這種形勢會對中國的汽車制造業(yè)帶來哪些影響呢,？

1.中國汽車制造業(yè)的發(fā)展機遇
目前在普通消費者眼中,，國產(chǎn)汽車還普遍處于較低端的市場，其性能和品牌影響力遠不如進口汽車品牌,，在傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝條件下,，國產(chǎn)汽車一直處于追趕地位。在新的形勢下,，全球汽車企業(yè)都面臨著轉(zhuǎn)型升級,，恰逢3D打印技術(shù)的應(yīng)用，將世界各國的汽車生產(chǎn)企業(yè)拉到了同一起跑線上,。而在3D打印技術(shù)上,，中國處于世界前列，部分技術(shù)還處于世界領(lǐng)先水平,。面對新的形勢,，中國企業(yè)似乎還處于優(yōu)勢地位。抓住這一機遇，充分發(fā)揮3D打印技術(shù)的優(yōu)勢,，助力汽車產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級,，將有望在不遠的將來成就自己的世界品牌。


2.中國汽車制造業(yè)面對的挑戰(zhàn)
中國車企在面臨新的發(fā)展機遇時,，同樣也面對著巨大的挑戰(zhàn),。一方面在傳統(tǒng)汽車制造業(yè)領(lǐng)域我們相對落后，即使在同一起跑線上,，對手同樣強大,；另一方面，任何一項新技術(shù)的應(yīng)用都存在一些潛在的風(fēng)險,，比如新技術(shù)與傳統(tǒng)工藝的兼容性,、適用性、產(chǎn)品的可靠性,、人員對新技術(shù)的適應(yīng)性等,，都會影響整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此,，中國車企面臨的挑戰(zhàn)同樣不可小覷,。

三、結(jié)束語
3D打印是一項新興技術(shù),，其發(fā)展前景是令人欣喜的,。3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用必將推動各行各業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)在新的形勢下也將發(fā)生翻天覆地的變化,。中國汽車制造企業(yè)應(yīng)該積極應(yīng)對,，加強新技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，成就自己的民族品牌,。

來源 | 《世界制造技術(shù)與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第4期
作者 | 李雪峰 黃安琪 夏申琳 中船重工集團第七二五研究所