3D打印技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用分析

來(lái)源： 中歐 SENIA

3D打印技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用已成大勢(shì)所趨,。有人說(shuō),，它將是汽車行業(yè)的一次重大突破,，極有可能顛覆傳統(tǒng)的“四大工藝”,。如今,，理想似乎正一寸寸地照進(jìn)現(xiàn)實(shí),。隨著“工業(yè)4.0概念”的不斷拋出,，3D打印作為該革命技術(shù)支持的核心之一，近年再次被推到市場(chǎng)的風(fēng)口浪尖,，已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)行業(yè),。而制造業(yè)的驕子－汽車及零部件制造則是3D打印技術(shù)重點(diǎn)推廣領(lǐng)域。但是汽車輕量化是長(zhǎng)期趨勢(shì),，傳統(tǒng)汽車方面,，汽車輕量化是節(jié)能降耗的必由之路。

相比傳統(tǒng)制造工藝,，3D打印能為汽車制造業(yè)帶來(lái)什么
在設(shè)計(jì)方面
利用3D打印技術(shù),，可以在數(shù)小時(shí)或數(shù)天內(nèi)制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性,，汽車廠商可以應(yīng)用于汽車外形設(shè)計(jì)的研發(fā),。相較傳統(tǒng)的手工制作油泥模型，3D打印能更精確地將3D設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換成實(shí)物,，而且時(shí)間更短,，提高汽車設(shè)計(jì)層面的生產(chǎn)效率。目前許多廠商已經(jīng)在設(shè)計(jì)方面開始利用3D打印技術(shù)，比如寶馬,、奔馳設(shè)計(jì)中心,。

在材料方面
3D打印允許多樣的材料選擇，不同的機(jī)械性能以及精準(zhǔn)的功能性原型制作,，讓制造商在前期可以隨時(shí)修正錯(cuò)誤并完善設(shè)計(jì),，使得錯(cuò)誤成本最小化。

在工裝夾具方面
3D打印技術(shù)提供了一種快速準(zhǔn)確的方法,，大幅降低了工具生產(chǎn)的成本和時(shí)間,。因而，汽車制造商迅速在產(chǎn)能,、效率和質(zhì)量上都得到提升,。
而針對(duì)生產(chǎn)工具，例如水溶型內(nèi)芯,、碳纖維包裹,、注塑成型等3D打印的應(yīng)用，有助企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速小批量工具定制,、降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間,。

在最終使用部件制造中
汽車制造商借助3D打印技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)小批量定制部件和生產(chǎn)自動(dòng)化,，并且可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)形狀,、中空和負(fù)拉伸等復(fù)雜幾何形狀的創(chuàng)建和制造。3D打印能夠快速制作造型復(fù)雜的零部件,，當(dāng)測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),，修改3D文件重新打印即可再次測(cè)試。

隨著目前3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用迅速增加,，知名市場(chǎng)咨詢機(jī)構(gòu)Frost & Sullivan最近發(fā)布了一份相關(guān)的調(diào)查報(bào)告,，預(yù)測(cè)汽車3D打印的市場(chǎng)規(guī)模有望于2025年達(dá)到43億美元。福特,、寶馬,、蘭博基尼、大眾,、通用,、保時(shí)捷、本田,、克萊斯勒,、奔馳、奧迪等幾乎所有的整車廠都在持續(xù)探索3D打印帶來(lái)的無(wú)限可能,。

革新科技不斷涌現(xiàn)的時(shí)代,，“3D打印”炙手可熱,，并且已經(jīng)運(yùn)用于多個(gè)行業(yè)，汽車及零部件制造則是3D打印技術(shù)重點(diǎn)推廣的領(lǐng)域,，目前,，不僅汽車底盤、內(nèi)飾,、車身外覆蓋件等很多零部件都已成功運(yùn)用ABS塑料和碳纖維材料作為基礎(chǔ)材料，實(shí)現(xiàn)了3D打印生產(chǎn),，“整車”打印也已被秀了多次,，打印時(shí)間越來(lái)越短，技術(shù)水平越來(lái)越高,，賺足了全世界的眼球,。

目前主流的3D打印技術(shù)有七種基本類型，分別為：材料熔融擠出FDM,、粘合劑噴射3DP,，材料微滴噴射、粉材平鋪融化,、直接能量沉積LENS,、薄材疊加LOM、光敏樹脂平鋪SLA,。其中,，F(xiàn)DM、粉材平鋪融化以及SLA已經(jīng)應(yīng)用在汽車工業(yè)制造上了,，而且不僅是汽車零部件,，很多企業(yè)開始大膽嘗試打印“整個(gè)”汽車。

3D打印的優(yōu)勢(shì)
與傳統(tǒng)制造業(yè)的CNC數(shù)控加工等“減材制造技術(shù)”相比,，3D打印技術(shù)的的魅力主要在于可直接從計(jì)算機(jī)圖形數(shù)據(jù)中生成任何形狀的零件,，可以為復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬零部件免去開發(fā)開模環(huán)節(jié)，縮短新品開發(fā)周期,，節(jié)省出更多的人力,、財(cái)力和時(shí)間，具有制造成本低,、研制周期短,、生產(chǎn)效率高等明顯優(yōu)勢(shì)。此外,，運(yùn)用3D打印技術(shù)在設(shè)計(jì)早期驗(yàn)證產(chǎn)品裝配可行性時(shí),，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)差錯(cuò)、復(fù)雜零部件或樣機(jī)原理的可行性,。

生產(chǎn)形狀復(fù)雜,、尺寸微細(xì),、難于制造的零件也是3D打印技術(shù)的強(qiáng)項(xiàng)！基于其原理,，3D打印技術(shù)用于大批量的生產(chǎn)雖然并不快,，且成本昂貴，但此技術(shù)從零開始堆積材料,，不受傳統(tǒng)加工手段制約,，可以制造幾乎任意形狀的產(chǎn)品。比如帶有形狀復(fù)雜卻十分精確的孔的零件,，或者要做一個(gè)中空的薄臂件,，這時(shí)用3D打印工藝就比傳統(tǒng)加工工藝快捷省事。最重要的是,，3D打印技術(shù)讓零件的制造不再拘泥于工藝,，而更多的是取決于想法，越是稀奇古怪,，越是傳統(tǒng)加工工藝無(wú)法加工的零件,，就越是3D打印技術(shù)的用武之地。在這個(gè)過(guò)程中,，相對(duì)于傳統(tǒng)工藝,，節(jié)省成本也是3D打印對(duì)用戶的最大吸引力。

現(xiàn)階段的應(yīng)用
相較傳統(tǒng)汽車制造業(yè)而言,，目前,，3D打印的產(chǎn)能還是較低，很難大規(guī)模量產(chǎn),。此外,，由于需要考慮到安全性等因素，原材料品質(zhì)與成本因素很難平衡,，導(dǎo)致單車生產(chǎn)成本過(guò)高也制約著現(xiàn)階段3D汽車的商業(yè)化,。

現(xiàn)階段而言，3D打印的應(yīng)用也許更適合設(shè)計(jì)領(lǐng)域和汽車研發(fā)階段,，還有單件小批量生產(chǎn),，例如整車的油泥模型，車身,、底盤,、同步器等零部件開發(fā)，以及橡膠,、塑料類零件的單件生產(chǎn),。

設(shè)計(jì)領(lǐng)域，由于3D打印的快速成型特性,，汽車廠商可以應(yīng)用于汽車外形設(shè)計(jì)的研發(fā),。相較傳統(tǒng)的手工制作油泥模型,，3D打印能更精確的將3D設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)換成實(shí)物，而且時(shí)間更短,，提高汽車設(shè)計(jì)層面的生產(chǎn)效率,。目前許多汽車廠商已經(jīng)在設(shè)計(jì)方面開始利用3D打印技術(shù)，比如奔馳設(shè)計(jì)中心,。

零部件領(lǐng)域,，3D打印技術(shù)還能快速的生產(chǎn)造型復(fù)雜的產(chǎn)品。在傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域,，汽車零部件的開發(fā)往往需要長(zhǎng)時(shí)間的研發(fā),、測(cè)試。從研發(fā)到測(cè)試階段還需要制作零件模具,，不僅時(shí)間長(zhǎng)，而且成本高,。當(dāng)存在問(wèn)題時(shí),，修正零件也需要同樣漫長(zhǎng)的周期。而3D打印技術(shù)則能快速制作造型復(fù)雜的零部件,，當(dāng)測(cè)試出現(xiàn)問(wèn)題時(shí),，修改3D文件重新打印即可再次測(cè)試�,？梢哉f(shuō),，3D打印技術(shù)讓未來(lái)零部件的開發(fā)成本更低，效率更高,。

3D打印與CNC的結(jié)合
雖然3D打印技術(shù)已成功地將傳統(tǒng)復(fù)雜的生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單化,，將材料領(lǐng)域的疑難問(wèn)題程序化，但就目前的發(fā)展來(lái)看,，如何擴(kuò)展3D打印技術(shù)的應(yīng)用還存在一些問(wèn)題,。它還受技術(shù)裝備、新型材料,、設(shè)計(jì)軟件,、質(zhì)量安全和公共環(huán)境等制約和影響。

此外,，3D打印并不能完全替代傳統(tǒng)CNC加工,，這兩者也各有各的優(yōu)勢(shì)，CNC的加工精度會(huì)高于3D打印,，而3D打印能夠制造的零件的復(fù)雜程度要遠(yuǎn)高于CNC,。3D打印是傳統(tǒng)加工方式的一種重要補(bǔ)充，它的主要功能不是替代而是補(bǔ)充,，因此,，3D打印和CNC結(jié)合是一種非常好的形式,。

未來(lái)，只有將3D打印技術(shù)的個(gè)性化,、復(fù)雜化,、高難度的特點(diǎn)與傳統(tǒng)制造業(yè)的規(guī)模化,、批量化,、精細(xì)化相結(jié)合，與制造技術(shù),、信息技術(shù),、材料技術(shù)相結(jié)合，才能不斷推動(dòng)3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展,。

2014年,，Local Motors公司推出了升級(jí)版的3D打印車Strati（斯特拉迪），此車的進(jìn)步之處首先在于它的底盤部分也采用了3D打印技術(shù)制造,，其次它的打印時(shí)間僅為44個(gè)小時(shí),。如果加上組裝時(shí)間，最新的數(shù)據(jù)表明只需要三天就能造出Strati,。從超過(guò)100天到3天,，效率的飛速提升預(yù)示著3D打印汽車的未來(lái)發(fā)展不可預(yù)估。

德國(guó)獨(dú)立汽車設(shè)計(jì)公司EDAG在2015年的日內(nèi)瓦車展上帶來(lái)一款3D打印概念車LightCocoon,，新車外殼每平方米僅重19克,，是一張A4紙的四分之一。盡管3D打印車在不斷的興起和升級(jí),，但是從客觀上來(lái)講,，3D打印技術(shù)應(yīng)用在汽車領(lǐng)域尚不是其強(qiáng)項(xiàng)，因汽車是一個(gè)大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品,，而3D打印目前更適合于個(gè)性化產(chǎn)品和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn),。

△3D打印在汽車中的應(yīng)用圖解

目前應(yīng)用主要有五大方面：
1、用于設(shè)計(jì),；
2,、結(jié)構(gòu)復(fù)雜零件的直接制作；
3,、汽車上的輕量化結(jié)構(gòu)零件的制作,；
4、定制專用的工件和檢測(cè)器具,；
5,、整車模型的制作。

不過(guò)在此值得提出的是,，3D打印設(shè)備的實(shí)際意義是幫你在設(shè)計(jì)或者產(chǎn)品制樣的過(guò)程中提高某個(gè)環(huán)節(jié)的效率,，而不是完全代替整個(gè)流程,。就像Urbee，3D打印機(jī)可以為它實(shí)現(xiàn)打印車身外殼,、減重車身,、個(gè)性化設(shè)計(jì)，但電機(jī)等關(guān)鍵零部件都還是來(lái)自于傳統(tǒng)制造業(yè),。與傳統(tǒng)企業(yè)制造汽車區(qū)別最大之處在于,，3D打印汽車是先打印出單個(gè)的、一體式的車身,，再將其他部件填充進(jìn)去,，而不是將車身各部分組裝到一起。

3D打印的瓶頸－材料種類少,、價(jià)格高
因?yàn)樗�的材料和工藝的特殊��,，目�?D打印技術(shù)運(yùn)用還是在汽車零件的原型階段，最為有優(yōu)勢(shì),。然這些跟汽車上實(shí)際使用的材料種類相比還是有很大差距的,。所以我們一般是看結(jié)構(gòu)件為主。另外,，值得欣慰的是,，2016年2月28日,，工業(yè)和信息化部,、國(guó)家發(fā)展改革委、財(cái)政部研究制定的《國(guó)家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃（2015－2016年）》提出要將3D打印與汽車,、航空航天,、生物醫(yī)療等重要細(xì)分領(lǐng)域分門別類地進(jìn)行跨行業(yè)聯(lián)合，突破一批增材制造專用材料,。到2016年,，實(shí)現(xiàn)鈦合金、高強(qiáng)鋼,、部分耐高溫高強(qiáng)度工程塑料等專用材料的自主生產(chǎn),，滿足行業(yè)發(fā)展需求。這對(duì)于3D打印材料的發(fā)展無(wú)疑是一劑強(qiáng)心針,。

除種類少外,，3D打印在材料方面的另一道障礙則是成本，材料成本是一個(gè)相對(duì)的概念,，在批量非常小的情況下,，模具的成本攤在單件產(chǎn)品上的比較多，這樣它的單件產(chǎn)品就會(huì)比較貴,，但如果用3D打印的方式就不存在這個(gè)問(wèn)題,，所以單件或者小批量的產(chǎn)品用3D打印它的成本是相對(duì)來(lái)講低廉的,。而像年產(chǎn)幾十萬(wàn)輛汽車的這種批量，如果用3D打印的方式目前來(lái)看成本是不合算的,。所以,，我們明白了這個(gè)就把他應(yīng)用在個(gè)性化并且是小而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，也就是獨(dú)一無(wú)二的那種產(chǎn)品上面,，不是批量化的產(chǎn)品的上面,。

在人工智能盛行且一切皆有可能的今天，我們相信在不久的將來(lái),，我們相信3D打印在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用定會(huì)越來(lái)越廣,。