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2015/10/23
汽车制造中的3D打印:星火燎原进行时

“世界范围内快速成型技术在汽车上的应用份额占到了31.7%”,一份来自Industry Week的报告显示——也就是说全世界近三分之一的3D打印技术用在了汽车制造领域。据统计,2014年仅在中国汽车消费就达到1970万辆,这个万亿级的庞大市场3D打印占到的份额仅为3.7亿美元。尽管如此,3D打印仍在以星星之火的态势迅速在汽车领域蔓延,据SmarTech预测,到2023年这个市场有望达到22.7亿美元,折合为人民币则将近150亿。


谁在用?用在哪里?
                       
  3D打印技术面临最大的难题便是“看得见却摸不着”的应用市场的开拓,然而在上个世3D打印一经面世就很快在汽车制造领域找到了适合生存的土壤,并深深地扎根于此。

  福特汽车上世纪80年代就已经购买了3D打印机,并逐渐建立了3D打印技术实验室和五大3D打印原型制造中心,共有14台不同的工业级3D打印机,每年制作的零件高达2万件。宝马自1991年起就将“增材制造”科技应用于概念车、原型车的制作。兰博基尼在早期是通过外包的形式在产品开发制造中应用3D打印技术。另外,上海大众高级经理沈卫东也告诉《3D打印世界》,“大众汽车从2003年就开始使用3D打印技术了。”

  到今天,除了福特、宝马、兰博基尼、大众之外,像通用、保时捷、本田、克莱斯勒、奔驰、奥迪等,几乎所有的整车厂都在采用快速成型设备来满足汽车不同阶段的研发需求。



  “我们主要将3D打印应用于汽车新产品研发过程中,”沈卫东说,“其中设计阶段应用得最多,设计部门将一个零件在电脑上设计出来以后,我们就可以利用3D打印非常快速地制造出实体,然后对它做一个快速的评价,也有可能会装到实车上面测试一下它的性能,如果设计结构和装车性能都满足要求的话,我们就会冻结这个设计数据,然后再进行批量生产。”

  从内饰到轮胎、空气管道、盖子、气动模型、缸体、缸盖、燃油系统、壳体等设计及功能验证3D打印都可以大展拳脚,因为它无需开发模具便能非常快速地将原型打印出来,开发人员能通过3D打印件静态分析和实车安装发现问题,再和结构设计工程师技术沟通,优化零件结构设计,提高零件的强度和可制造性,简化零件结构,验证技术结构可行性,提高产品成熟度。

  

  三帝打印科技有限公司CEO宗贵升向《3D打印世界》介绍道:“我们在汽车研发初期帮助汽车制造厂设计新的发动机,或者改进发动机功能,只要一个星期时间,不需开模就可以将样品做出来。”三帝旗下的北京隆源自动成型系统有限公司早在2001年便开始为汽车企业提供缸体、缸盖、进气管、变速箱壳体的RP服务。

  除了设计验证之外,沈卫东介绍,用的比较普遍的是造型模型方面,“汽车造型有很多3D打印的模型,出来的效果几乎跟真车差不多,这样我们可以对车的造型做出有效评价,这对传统造型模型来说进步很大。”其次,3D打印还可以在一些辅助检具和夹具中使用。

  然而,除了在研发的实验室阶段,近年来3D打印也逐步发展到功能零部件的打印,但仅限于赛车这种小批量且对个性化要求极高的车种。像宝马就为BMW Z4 GT3的一款DTM赛车3D打印了一个整体成型的轻金属水泵转子,以替代以前使用的塑料材质的部件。据行业内人士介绍,F1赛车的进气歧管为复杂薄壁结构,材料为镍合金材料,采用传统加工工艺难以完成,采用SLM技术就可以实现该零件的完全自动化一次整体成型,包含热处理和精加工,只需一周时间即可,功能齐全,适合高温高负荷运转。

  从总体来讲,3D打印在造型评审、设计验证、复杂结构零件、多材料复合零件、轻量化结构零件、定制专用工装、售后个性换装件等汽车方面的应用逐渐占到了主导的地位。

3D打印的优势和应用障碍

  “越复杂的产品使用3D打印来做就越具有优势,像发动机的缸体、缸盖内的东西,使用传统工艺可能需要花三、四个月时间来做模具,但使用我们的无木模铸型制造技术两个星期就可以直接出具一件产品,原来的费用都是几十、上百万,用我们的技术就要降低很多了。”佛山峰华卓立的常务副总经理、高级工程师金枫一句话概括了3D打印相较于传统手段的优势——适用于复杂成形、周期短、成本低。这也是3D打印引得这些汽车厂商趋之若鹜的原因。

  现在工业生产的趋势是从大规模批量化生产转变为小批量和个性化生产,产品的生命周期和投放市场的时间越来越短,在十年前开发一种新车型需要两年以上的时间,而现在一个汽车制造商每年就要推出几种新车型,开发一种新车型用不到一年的时间,根据数据统计,中国2014年上市的新车型就多达328种。市场竞争如此严酷,只有尽可能缩短产品设计和制造周期才有可能在竞争中胜出,3D打印正是这样一种先进的制造手段,它突破了产品的设计限制,极大缩短了产品开发周期,同时大大降低研发成本,并且同步开发,提升了新产品的可靠性。

  虽然这些优势使得3D打印在汽车研发阶段如鱼得水,但业内人士一致认为它在大批量生产方面还无法与传统的冲压、锻造、铸造等工艺比肩,这也使得3D打印在大规模、标准化作业的工业环境下短时间内无法顺利走出实验室。

  “3D打印直接制造功能性零部件的局限性还是蛮大的,大众在批量生产方面并没有用到3D打印,”沈卫东表示,“因为批量生产的车有很多法规方面的要求,其次3D打印的材料性能还没能达到批量生产的材料要求,这是它的一个缺陷。”

  宗贵升也持相同的观点,他指出常规的大批量生产现在用3D打印还是不现实的,大批量的高成本、大尺寸、高性能零部件的直接制造关键核心技术3D打印还没有突破。另外他还提出一个有趣的观点,“3D打印最主要的障碍还是缺少一批懂得3D打印设计理念的人,设计师还是传统的理念,就像你拿着Ipad去挖土却怪它不如铁锹。”

  除此之外,3D打印出来的零件表面质量也存在缺陷,需要后期的抛光、染色、电镀、喷漆等后处理,而且整个3D打印的产业链尚未形成,这些都会制约3D打印的顺利发展。

  尽管如此,业内人士对3D打印的下一步应用还是有着明确的认识,“3D打印是整个汽车制造里面一个非常有效的辅助工具,以后在汽车研发中会越来越多地应用到3D打印,其次,在批量化方面肯定也会寻找到一些突破口,或者与传统制造相结合形成更合适的价格优势。”沈卫东认为。

  作为一家3D打印服务企业的领头人,宗贵升看到的道路更明晰,他认为3D打印一定要往一体化和轻量化设计方面去做,首先突破汽车发动机、动力传动系统、车轮等高性能零部件直接成型,并打破汽车整车设计与制造的理念。

  如何看待整车3D打印?
  “3D打印汽车”无疑在将3D打印推向神坛的路上加了一把猛火。2013年,号称世界上第一辆3D打印汽车Urbee2问世,吸引了全世界的目光,去年Local Motors在美国一次制造展会上当着观众的面又一次使用3D打印技术打造了一辆汽车“Strati”,今年七月份美国旧金山的Divergent Microfactories(DM)公司也兴致勃勃地推出据说是世界上首款3D打印超级跑车“刀锋(Blade)”。另外,美国橡树岭国家实验室的也用3D打印技术打造了一辆外形模仿经典跑车谢尔比眼镜蛇(Shelby Cobra)的跑车,还得到了美国总统奥巴马的大力赞赏。甚至,在国内3月份的时候也有人“3D打印”一辆概念汽车。并且,制造方亲自示范这些车确实可以上路行驶。

  然而,业内多位专家则表示所谓“3D打印汽车”不过尔尔,那么“3D打印汽车”到底是借势宣传的噱头还是改变现有汽车产业链的机遇?

  金枫向《3D打印世界》表示,“整车打印现阶段是不可能的,汽车包含的东西太多了,塑料3D打印技术可以打印一些操作面板,金属3D打印技术也可以做一些发动机的零件,但还是要经过加工以及后面的装配”,另外,汽车里面还包括线路、电路板、传感器,这些是3D打印做不出来的,“我们可以做汽车里面的一些零件,但整个打印出来肯定是不可能的”,金枫一再否定了“目前”整车打印的可能性。


  据《3D打印世界》了解,像Strati仅仅只是底盘、仪表板、座椅和车身等外部零部件由3D打印而成,而其他关键性的动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃是使用常规的制造方法,然后再组装在一起。

  沈卫东认为这种“3D打印汽车”更多的是在秀一种技术,通过这样的一个“概念”来引领一种潮流,而且他非常坚定地认为3D打印技术只是汽车整型制造里面的一个重要的环节,不可能替代全部的传统技术。

  尽管如此,3DInside Priting全球巡展策展商、珠海再生时代董事总经理李广连等行业人士认为,像Urbee2、Strati这样有许多3D打印元素参与的汽车的出现还是有其特定的意义,它恰好向人们提供了一种汽车制造的新范式——一体化与轻量化的设计是完全可以实现的,它将原本需要在生产线上组装上千个零件集成为几十个,而且使用碳纤维或者其他的复合材料,汽车重量大大下降。

  而且更加重要的意义在于,因为3D打印的参与,原有的汽车产业链也有机会得到改变:原本汽车生产是由全球各地生产零件,再集中到一个地方进行组装成型,最后再销往全球。而“3D打印汽车”的出现把设计、采购、制造、销售、回收各个环节都集中在一个地区,打破全球供应链。正如Local Motors的CEO Justin Fishkin讲的,他将在全球建立100个微工厂,并将提供一个平台,设计师可以将自己的设计传上去,消费者在平台上挑选自己喜欢的车型,点击进购物车,几天后汽车就会自动送上门。也许这听起来像天方夜谭,但不也正符合了《中国制造2015》规划中所提倡的“互联网+”的模式吗?

  “随着3D打印技术的成熟,或许我们就能在几天内打印出自己想要的汽车,或者用3D打印来改装自己的汽车。”宗贵升对此表示很有信心。

注:本文来自《3D打印世界》10月刊

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