3D打印超灵活汽车框架——可对路面定制车型

2013全球第一台3D打印汽车Urbee 2的出现，3D打印在汽车制造行业掀起了一股飓风。目前，诸如奥迪、宝马、大众、丰田等知名汽车品牌都已经开始在设计制造中用上3D打印了。

3D打印技术与传统工艺相结合正在成为当前汽车工业的主流选择。德国的汽车开发商EDAG Engineering就与激光焊接公司Laser Zentrum Nord（LZN）、3D打印巨头概念激光，以及意大利激光切割专家BLM集团联手通过各自的专业技术，包括3D打印、激光焊接和激光弯曲，打造出了一款质轻、灵活，经生物优化的新一代汽车框架NextGen。

在这个联合项目中，德国的威斯巴登、汉堡、利希腾费尔斯和 意大利坎图通过仿生优化、混合制造而成的空间架构，为如何才能将需要灵活制造的车身设计变为现实展示出了新的前景。该技术将增材制造的车身节点与智能加工的型材相结合。在增材制造技术的帮助下，节点的设计可以具有很高的灵活性和多功能性，这样就可以在无需额外工具和启动成本的情况下，“按需”生产不同车型。

次世代空间架构技术范例可以对经过功能整合和仿生优化的车辆轻量化结构进行灵活地制造：关于如何才能将可变且极其灵活的、适用于根据负载级别设计的车身的生产理念转变为现实这个问题，经过仿生优化、采用生成式混合制造方法制造的空间架构设计为其展示出了新的前景。

次世代空间架构由增材制造的 3D 节点和智能加工的钢制型材组合而成。节点可以在现场根据不同的车型采用JIS（准时化顺序供应）方式制造。重点是将单个部件接合成混合结构，以便制造出经过拓扑优化的结构，但这一点目前尚无法实现。

连接时采用的是焊缝细小、热输入低的激光焊接法。其几何基础是，需要将型材完全套入其中，这一点可以通过对型材进行 3D 测量并按需进行增材制造来实现。这种连接方式可以在对部件进行良好预定位的同时，在较大连接长度上实现整圈焊接。型材将自动通过节点进行对准和固定。使用盘形激光器和机器人引导的光学元件。此外，用于制造型材和节点的激光技术可以在装配过程中实现高度自动化。这种设计在成本结构和节省时间方面提供了巨大潜力。
3D打印的节点可以根据不同负载级别进行调整，例如在负载要求较高时可增添加固元件。这样，每一款车型都能实现重量和功能优化。 只有合作伙伴之间的跨学科合作和各个技术专家的高超能力才能确保这个项目成功变为现实。  

次世代空间架构节点的3D打印工艺可直接根据 3D-CAD 文件逐层生成部件。通过该方法无需使用刀具即可生产出具有复杂几何结构的部件。它可以制造出使用传统制造工艺极难或根本无法制造的部件。本设计中的节点均无法使用传统的铸钢工艺制造。为了确保结构无缺陷，需要在与构造平台夹角小于45°的平面上设计支撑结构。该支撑结构除了具备单纯的支撑功能外，主要还用于承受内部应力并防止部件翘曲。因为节点的几何结构较为复杂，所以良好的支撑准备是成功生产的基础。完成支撑准备之后，将通过虚拟形式把部件切割成单层。在将数据传输到 LaserCUSING 设备上之后，将分配相应的过程参数，然后启动构造过程。这些节点均由 X line 1000R 制造而成，该设备具有适用于此项目的构造空间 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。

空间架构设计结合了 3D 打印的优势，例如灵活性和轻量构造潜力，以及成熟的型材构造经济性。在这两种技术中，激光都处于核心地位。经过拓扑优化的节点实现了最大程度的轻量化和功能的高度整合。无论是节点还是型材，都可以在不增加成本的同时，根据几何结构和负载要求进行调整。因此，它们提供了根据负载级别对单个零件进行设计的可能。由此可见，主导思想是要根据车型的要求优化进行节点-型材构造设计。结果就是得到了经过负载路径优化空间架构的结构。通过采用这种设备和刀具使用较少的方法，将来所有车身类型都将能够经济地制造并具有最高灵活性。

Concept Laser 有限公司是一家来自德国的独立企业。公司自 2000 年成立以来，一直都是激光熔融技术领域的创新推动者，凭借获得专利的 LaserCUSING技术从事跨行业的经营活动。LaserCUSING是这样一种技术：该熔融方法是采用3D CAD 数据逐层生成部件的熔融技术。在这过程中，粉末状的金属通过高能光纤激光器发生局部熔化。冷却后，材料凝固。反射镜偏转装置（扫描器）通过对激光束进行偏转制造出部件轮廓。通过降低构造空间底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐层（层厚 15 – 500 μm）构造出部件。该方法可在不使用模具的情况下制造出复杂几何形状的部件，而这是常规制造方法很难或根本无法做到的。

Concept Laser 设备的特点在于对需要连续处理的切片分割进行随机控制。这种专利方法可以确保在制造超大型部件时显著降低应力。
利用 LaserCUSING技术既可以制造带有贴近轮廓的冷却系统的模具嵌件，也可以直接制造饰品、医疗、牙科、汽车、航空航天行业用的部件。原型件和量产件皆可制造。。
Concept Laser 的激光加工设备可加工不锈钢、热作钢、钴铬合金、镍基合金粉末材料以及像铝合金和钛合金这样的活性金属粉末材料。
LaserCUSING 为众多行业在进行产品开发的经济性和速度方面开辟了新的前景，这些行业包括：
•        医疗和牙科
•        航空航天工业
•        刀具与模具制造
•        汽车制造与赛车运动
•        饰品
•        机械制造



未来的车身，尤其是在各种小批量车型的替代驱动系统方面，不仅需要更轻量，而且要求设计上更需具备极高的灵活性。可想而知，其结果便会出现越来越多的车辆衍生品，而这些衍生品则需要具备自我调整能力和制造经济性的车身设计。对此，在可预见的未来，增材制造技术可能会开创一条全新的可行道路。

南极熊小编认为，NextGen这种采用了多种技术制造而成的结构很好地展现了汽车工业的未来。相信随着3D打印以及混合制造技术的快速发展，这样的设计必定会越来越多。届时，汽车这种大众交通工具必定会变得更加多样化，为我们的生活带来更多的精彩