3D打印技术在汽车轻量化领域的应用分析

来源： 中欧 SENIA

3D打印技术在汽车零部件领域更广泛地应用已成大势所趋。有人说，它将是汽车行业的一次重大突破，极有可能颠覆传统的“四大工艺”。如今，理想似乎正一寸寸地照进现实。随着“工业4.0概念”的不断抛出，3D打印作为该革命技术支持的核心之一，近年再次被推到市场的风口浪尖，已经运用于多个行业。而制造业的骄子－汽车及零部件制造则是3D打印技术重点推广领域。但是汽车轻量化是长期趋势，传统汽车方面，汽车轻量化是节能降耗的必由之路。

相比传统制造工艺，3D打印能为汽车制造业带来什么
在设计方面
利用3D打印技术，可以在数小时或数天内制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性，汽车厂商可以应用于汽车外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确地将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。目前许多厂商已经在设计方面开始利用3D打印技术，比如宝马、奔驰设计中心。

在材料方面
3D打印允许多样的材料选择，不同的机械性能以及精准的功能性原型制作，让制造商在前期可以随时修正错误并完善设计，使得错误成本最小化。

在工装夹具方面
3D打印技术提供了一种快速准确的方法，大幅降低了工具生产的成本和时间。因而，汽车制造商迅速在产能、效率和质量上都得到提升。
而针对生产工具，例如水溶型内芯、碳纤维包裹、注塑成型等3D打印的应用，有助企业实现快速小批量工具定制、降低成本并缩短产品上市时间。

在最终使用部件制造中
汽车制造商借助3D打印技术，能够实现小批量定制部件和生产自动化，并且可以实现有机形状、中空和负拉伸等复杂几何形状的创建和制造。3D打印能够快速制作造型复杂的零部件，当测试出现问题时，修改3D文件重新打印即可再次测试。

随着目前3D打印技术在汽车工业中的应用迅速增加，知名市场咨询机构Frost & Sullivan最近发布了一份相关的调查报告，预测汽车3D打印的市场规模有望于2025年达到43亿美元。福特、宝马、兰博基尼、大众、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持续探索3D打印带来的无限可能。

革新科技不断涌现的时代，“3D打印”炙手可热，并且已经运用于多个行业，汽车及零部件制造则是3D打印技术重点推广的领域，目前，不仅汽车底盘、内饰、车身外覆盖件等很多零部件都已成功运用ABS塑料和碳纤维材料作为基础材料，实现了3D打印生产，“整车”打印也已被秀了多次，打印时间越来越短，技术水平越来越高，赚足了全世界的眼球。

目前主流的3D打印技术有七种基本类型，分别为：材料熔融挤出FDM、粘合剂喷射3DP，材料微滴喷射、粉材平铺融化、直接能量沉积LENS、薄材叠加LOM、光敏树脂平铺SLA。其中，FDM、粉材平铺融化以及SLA已经应用在汽车工业制造上了，而且不仅是汽车零部件，很多企业开始大胆尝试打印“整个”汽车。

3D打印的优势
与传统制造业的CNC数控加工等“减材制造技术”相比，3D打印技术的的魅力主要在于可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件，可以为复杂结构金属零部件免去开发开模环节，缩短新品开发周期，节省出更多的人力、财力和时间，具有制造成本低、研制周期短、生产效率高等明显优势。此外，运用3D打印技术在设计早期验证产品装配可行性时，能及时发现产品设计差错、复杂零部件或样机原理的可行性。

生产形状复杂、尺寸微细、难于制造的零件也是3D打印技术的强项！基于其原理，3D打印技术用于大批量的生产虽然并不快，且成本昂贵，但此技术从零开始堆积材料，不受传统加工手段制约，可以制造几乎任意形状的产品。比如带有形状复杂却十分精确的孔的零件，或者要做一个中空的薄臂件，这时用3D打印工艺就比传统加工工艺快捷省事。最重要的是，3D打印技术让零件的制造不再拘泥于工艺，而更多的是取决于想法，越是稀奇古怪，越是传统加工工艺无法加工的零件，就越是3D打印技术的用武之地。在这个过程中，相对于传统工艺，节省成本也是3D打印对用户的最大吸引力。

现阶段的应用
相较传统汽车制造业而言，目前，3D打印的产能还是较低，很难大规模量产。此外，由于需要考虑到安全性等因素，原材料品质与成本因素很难平衡，导致单车生产成本过高也制约着现阶段3D汽车的商业化。

现阶段而言，3D打印的应用也许更适合设计领域和汽车研发阶段，还有单件小批量生产，例如整车的油泥模型，车身、底盘、同步器等零部件开发，以及橡胶、塑料类零件的单件生产。

设计领域，由于3D打印的快速成型特性，汽车厂商可以应用于汽车外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确的将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。目前许多汽车厂商已经在设计方面开始利用3D打印技术，比如奔驰设计中心。

零部件领域，3D打印技术还能快速的生产造型复杂的产品。在传统汽车制造领域，汽车零部件的开发往往需要长时间的研发、测试。从研发到测试阶段还需要制作零件模具，不仅时间长，而且成本高。当存在问题时，修正零件也需要同样漫长的周期。而3D打印技术则能快速制作造型复杂的零部件，当测试出现问题时，修改3D文件重新打印即可再次测试。可以说，3D打印技术让未来零部件的开发成本更低，效率更高。

3D打印与CNC的结合
虽然3D打印技术已成功地将传统复杂的生产工艺简单化，将材料领域的疑难问题程序化，但就目前的发展来看，如何扩展3D打印技术的应用还存在一些问题。它还受技术装备、新型材料、设计软件、质量安全和公共环境等制约和影响。

此外，3D打印并不能完全替代传统CNC加工，这两者也各有各的优势，CNC的加工精度会高于3D打印，而3D打印能够制造的零件的复杂程度要远高于CNC。3D打印是传统加工方式的一种重要补充，它的主要功能不是替代而是补充，因此，3D打印和CNC结合是一种非常好的形式。

未来，只有将3D打印技术的个性化、复杂化、高难度的特点与传统制造业的规模化、批量化、精细化相结合，与制造技术、信息技术、材料技术相结合，才能不断推动3D打印技术在汽车制造业的创新发展。

2014年，Local Motors公司推出了升级版的3D打印车Strati（斯特拉迪），此车的进步之处首先在于它的底盘部分也采用了3D打印技术制造，其次它的打印时间仅为44个小时。如果加上组装时间，最新的数据表明只需要三天就能造出Strati。从超过100天到3天，效率的飞速提升预示着3D打印汽车的未来发展不可预估。

德国独立汽车设计公司EDAG在2015年的日内瓦车展上带来一款3D打印概念车LightCocoon，新车外壳每平方米仅重19克，是一张A4纸的四分之一。尽管3D打印车在不断的兴起和升级，但是从客观上来讲，3D打印技术应用在汽车领域尚不是其强项，因汽车是一个大批量生产的产品，而3D打印目前更适合于个性化产品和小批量产品的生产。

△3D打印在汽车中的应用图解

目前应用主要有五大方面：
1、用于设计；
2、结构复杂零件的直接制作；
3、汽车上的轻量化结构零件的制作；
4、定制专用的工件和检测器具；
5、整车模型的制作。

不过在此值得提出的是，3D打印设备的实际意义是帮你在设计或者产品制样的过程中提高某个环节的效率，而不是完全代替整个流程。就像Urbee，3D打印机可以为它实现打印车身外壳、减重车身、个性化设计，但电机等关键零部件都还是来自于传统制造业。与传统企业制造汽车区别最大之处在于，3D打印汽车是先打印出单个的、一体式的车身，再将其他部件填充进去，而不是将车身各部分组装到一起。

3D打印的瓶颈－材料种类少、价格高
因为他的材料和工艺的特殊性，目前3D打印技术运用还是在汽车零件的原型阶段，最为有优势。然这些跟汽车上实际使用的材料种类相比还是有很大差距的。所以我们一般是看结构件为主。另外，值得欣慰的是，2016年2月28日，工业和信息化部、国家发展改革委、财政部研究制定的《国家增材制造产业发展推进计划（2015－2016年）》提出要将3D打印与汽车、航空航天、生物医疗等重要细分领域分门别类地进行跨行业联合，突破一批增材制造专用材料。到2016年，实现钛合金、高强钢、部分耐高温高强度工程塑料等专用材料的自主生产，满足行业发展需求。这对于3D打印材料的发展无疑是一剂强心针。

除种类少外，3D打印在材料方面的另一道障碍则是成本，材料成本是一个相对的概念，在批量非常小的情况下，模具的成本摊在单件产品上的比较多，这样它的单件产品就会比较贵，但如果用3D打印的方式就不存在这个问题，所以单件或者小批量的产品用3D打印它的成本是相对来讲低廉的。而像年产几十万辆汽车的这种批量，如果用3D打印的方式目前来看成本是不合算的。所以，我们明白了这个就把他应用在个性化并且是小而复杂的结构件，也就是独一无二的那种产品上面，不是批量化的产品的上面。

在人工智能盛行且一切皆有可能的今天，我们相信在不久的将来，我们相信3D打印在汽车产业的应用定会越来越广。