3D打印技術(shù)在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用分析

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3D打印技術(shù)在汽車零部件領(lǐng)域更廣泛地應(yīng)用已成大勢所趨。有人說，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。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的風(fēng)口浪尖，已經(jīng)運用于多個行業(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)重點推廣領(lǐng)域。但是汽車輕量化是長期趨勢，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)帶來什么在設(shè)計方面利用3D打印技術(shù)，可以在數(shù)小時或數(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)計圖轉(zhuǎn)換成實物，而且時間更短，提高汽車設(shè)計層面的生產(chǎn)效率。目前許多廠商已經(jīng)在設(shè)計方面開始利用3D打印技術(shù)，比如寶馬、奔馳設(shè)計中心。在材料方面 3D打印允許多樣的材料選擇，不同的機械性能以及精準(zhǔn)的功能性原型制作，讓制造商在前期可以隨時修正錯誤并完善設(shè)計，使得錯誤成本最小化。

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)實現(xiàn)快速小批量工具定制、降低成本并縮短產(chǎn)品上市時間。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)自動化，并且可以實現(xiàn)有機形狀、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)測試出現(xiàn)問題時，修改3D文件重新打印即可再次測試。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，知名市場咨詢機構(gòu)Frost & Sullivan最近發(fā)布了一份相關(guān)的調(diào)查報告，預(yù)測汽車3D打印的市場規(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打印帶來的無限可能。

革新科技不斷涌現(xiàn)的時代，“3D打印”炙手可熱，并且已經(jīng)運用于多個行業(yè)，汽車及零部件制造則是3D打印技術(shù)重點推廣的領(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用ABS塑料和碳纖維材料作為基礎(chǔ)材料，實現(xiàn)了3D打印生產(chǎn)，“整車”打印也已被秀了多次，打印時間越來越短，技術(shù)水平越來越高，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”汽車。

3D打印的優(yōu)勢

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算機圖形數(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、財力和時間，具有制造成本低、研制周期短、生產(chǎn)效率高等明顯優(yōu)勢。此外，運用3D打印技術(shù)在設(shè)計早期驗證產(chǎn)品裝配可行性時，能及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計差錯、復(fù)雜零部件或樣機原理的可行性。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)的強項！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，或者要做一個中空的薄臂件，這時用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)加工工藝無法加工的零件，就越是3D打印技術(shù)的用武之地。在這個過程中，相對于傳統(tǒng)工藝，節(jié)省成本也是3D打印對用戶的最大吸引力。

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)計圖轉(zhuǎn)換成實物，而且時間更短，提高汽車設(shè)計層面的生產(chǎn)效率。目前許多汽車廠商已經(jīng)在設(shè)計方面開始利用3D打印技術(shù)，比如奔馳設(shè)計中心。

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)往往需要長時間的研發(fā)、測試。從研發(fā)到測試階段還需要制作零件模具，不僅時間長，而且成本高。當(dāng)存在問題時，修正零件也需要同樣漫長的周期。而3D打印技術(shù)則能快速制作造型復(fù)雜的零部件，當(dāng)測試出現(xiàn)問題時，修改3D文件重新打印即可再次測試?？梢哉f，3D打印技術(shù)讓未來零部件的開發(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)工藝簡單化，將材料領(lǐng)域的疑難問題程序化，但就目前的發(fā)展來看，如何擴展3D打印技術(shù)的應(yīng)用還存在一些問題。它還受技術(shù)裝備、新型材料、設(shè)計軟件、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，CNC的加工精度會高于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充，它的主要功能不是替代而是補充，因此，3D打印和CNC結(jié)合是一種非常好的形式。未來，只有將3D打印技術(shù)的個性化、復(fù)雜化、高難度的特點與傳統(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，其次它的打印時間僅為44個小時。如果加上組裝時間，最新的數(shù)據(jù)表明只需要三天就能造出Strati。從超過100天到3天，效率的飛速提升預(yù)示著3D打印汽車的未來發(fā)展不可預(yù)估。德國獨立汽車設(shè)計公司EDAG在2015年的日內(nèi)瓦車展上帶來一款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，但是從客觀上來講，3D打印技術(shù)應(yīng)用在汽車領(lǐng)域尚不是其強項，因汽車是一個大批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，而3D打印目前更適合于個性化產(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； 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器具； 5、整車模型的制作。不過在此值得提出的是，3D打印設(shè)備的實際意義是幫你在設(shè)計或者產(chǎn)品制樣的過程中提高某個環(huán)節(jié)的效率，而不是完全代替整個流程。就像Urbee，3D打印機可以為它實現(xiàn)打印車身外殼、減重車身、個性化設(shè)計，但電機等關(guān)鍵零部件都還是來自于傳統(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、價格高

因為他的材料和工藝的特殊性，目前3D打印技術(shù)運用還是在汽車零件的原型階段，最為有優(yōu)勢。然這些跟汽車上實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、國家發(fā)展改革委、財政部研究制定的《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃（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，實現(xiàn)鈦合金、高強鋼、部分耐高溫高強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。這對于3D打印材料的發(fā)展無疑是一劑強心針。除種類少外，3D打印在材料方面的另一道障礙則是成本，材料成本是一個相對的概念，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)品就會比較貴，但如果用3D打印的方式就不存在這個問題，所以單件或者小批量的產(chǎn)品用3D打印它的成本是相對來講低廉的。而像年產(chǎn)幾十萬輛汽車的這種批量，如果用3D打印的方式目前來看成本是不合算的。所以，我們明白了這個就把他應(yīng)用在個性化并且是小而復(fù)雜的結(jié)構(gòu)件，也就是獨一無二的那種產(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，我們相信3D打印在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用定會越來越廣。

來源：南極熊

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