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　　3D打印是工業4.0時代標簽 為汽車制造業提供助力

　　國際金屬加工網

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業典型研討會

　　作為工業4.0時代的一大標簽，3D打印的發展無疑為中國制造提供更好的助力。當前，3D打印在汽車領域的應用已從簡單的概念模型到功能型原型朝著更多的功能部件方向發展，滲透到發動機等核心零部件領域的設計，未來幾年汽車行業研發領域將迎來3D打印技術引入爆發期。據預測，到2019年，3D打印在汽車領域的應用將產生合計達11億美元的全球銷售額。2019年全球汽車3D打印應用市場將達11億美元。

3D打印在今天的汽車制造中有怎樣的最新技術及應用，大咖們都有哪些布局和規劃？今天小編將帶你大開眼界。

　　首先我們來回顧下3D技術在汽車制造史上的具有里程碑意義的歷史事件。

　　歷史事件回顧：2010年——世界首款3D 打印汽車Urbee 面世

2010 年初，世界首款3D 打印汽車Urbee 在美國面世，它是一款混合動力汽車，絕大多數零部件來自3D 打印，耗時2500 小時。Urbee 的造型很奇特，它只有3 個車輪。這種平扁的造型使其風阻系數達到了0．15，可以最大程度避免空氣阻力，而三輪車設計也是基于這一點的考慮。在動力方面，Urbee 采用的是混合動力系統，兩臺電動機加一臺發動機，發動機使用的是乙醇燃料。電池則可以通過Urbee 頂部的太陽能面板充電，總之一切都是為了最大程度節省燃料消耗。

　　2013年——Urbee 升級版Urbee 2誕生

　　2010年發布的Urbee后來由于各種問題只停留在了概念階段。時隔三年后，Urbee的升級版Urbee 2誕生。Urbee 2包含了超過50個3D打印組件，這相較傳統制造工藝顯得十分精簡。車輛除了底盤、動力系統和電子設備等，超過50％的部分都是由ABS塑料打印而來。當時生產Urbee 2需要花費2500小時，相當于沒日沒夜超過100天才能打印這樣一輛車。

　　2014年——世界首款 3D電動汽車橫空出世

2014年，世界上首款采用 3D打印零部件制造的電動汽車橫空出世，這款名為“Strati”的電動汽車在美國芝加哥國際制造技術展覽會上由Local Motors公司推出亮相。新產品制造過程僅用了44個小時，只有40個零部件。加上組裝時間，只需三天就能造出Strati，生產效率大大提升。除了動力傳動系統、懸架、電池、輪胎、車輪、線路、電動馬達和擋風玻璃外，包括底盤、儀表板、座椅和車身在內的余下部件均由3D打印機打印，所用材料為碳纖維增強熱塑性塑料。由于采用了塑料材料，讓“Strati”的質量得以減輕，減噪效果同樣明顯。同時，“Strati”最大速度可達每小時64公里、一次充電可行駛190至240公里。

　　2015年——全球首款3D打印跑車“BLADE”發布

2015年全球首款3D打印跑車“BLADE”發布，這款3D打印跑車并沒有采用與“Strati”相同的一體成型技術，而是采用了3D打印鋁制的“節點”結構。設計者使用3D打印精心打造出形狀復雜的節點之后，再通過現成的碳纖維管材將其連在一起。當所有的節點的都打印出來后，幾個工人幾分鐘之內就能將汽車底盤組裝好。“BLADE”的重量僅為0．64噸。

　　同年，德國獨立汽車設計公司EDAG在日內瓦車展上帶來一款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。

　　2016年——Daihatsu宣布提供3D打印零件定制服務

6月20日，行業巨頭日本豐田汽車的子公司，小型汽車制造巨頭大發（Daihatsu）宣布將為客戶提供3D打印零件定制服務。這項服務使得預算有限的車主也能像擁有奢華轎車及跑車的巨富們一樣定制自己的汽車。不過這項服務僅適用于小型雙座敞篷跑車大發Copen。公司將十種不同顏色的復雜圖案點綴在板金上，設計出15種“外觀皮膚”，在當地經銷商處訂購Copen車型的消費者可以從中任選一種。他們還可以在網上進一步完善該設計，以達到他們想要的效果。通過采用美國公司Stratasys的3D打印設備，這些“皮膚”可被打印在熱塑性材料上，然后打印好的成品會被貼在車身前后部位。

　　我國也緊跟世界3D汽車技術步伐：

　　2015年——中國首臺3D打印概念汽車發布

2015年3月24日，中國首臺3D打印概念汽車在海南三亞發布。這輛概念汽車由三亞思海三維技術開發研制，車身外殼部分用3D打印而成，重約500公斤，其余為組裝配件，通過電力驅動。從設計到組裝完成耗時一個月，其中3D打印階段耗時5天。

　　2016年——金屬模具3D打印柔性制造技術問世

煙臺泰利汽車模具股份首創性地突破了數字化無模鑄造與激光熔覆成形技術相結合的精密金屬模具3D打印柔性制造技術，研發出中國首臺大型大功率汽車模具五軸激光熔覆精密成形機（金屬3D打印機）。泰利汽車是國內第一個提出將3D打印應用到汽車模具制造行業的企業。2013年泰利汽車承擔了山東省自主創新專項補助項目“汽車模具3D打印柔性制造技術及裝備研發”后，通過與國家機械科學研究總院先進制造技術研究中心三年的合作成功開發出金屬模具3D打印柔性制造技術。

　　應用現狀：行業大咖加強技術合作創新，動作頻頻。　　當前3D打印技術在汽車行業可以有幾方面的應用：一是創新設計和校驗；二是整體成形，這也是未來的趨勢；三是將材料設計、結構設計與制造一體化完成；四是復合成形制造，包括工藝復合、材料復合等。行業進一步的細分及3D打印材料的突破與豐富將有利于增材制造技術在汽車零部件行業更好、更快發展。3D打印零部件材料種類顯著增加，意味著零部件制造成本或在三到五年內大幅下降。未來，整車以及零部件領域對增材制造技術需求是非常大的，也將有更多的3D打印零部件實現產業化。下面我們一起來看汽車制造大佬們在3D打印方面都有哪些動作。

寶馬：生產制造大量使用3D技術

　　早在1990年，寶馬集團“快速成型創新中心”受命開發第一款設備。1991年起，第一個原型零部件由公司自有的立體平版印刷設備成功生產。3D打印技術生產的零部件開始主要用于概念車，后來隨著技術的進步應用于更多領域。根據部件的規格，寶馬集團采用了不同的生產程序和材料。目前，寶馬3D打印技術主要應用于需求頻繁的小批量定制零部件或復雜零部件，如前期開發、整車驗證和測試、概念車、以及工具制造和操作設備領域。

寶馬將3D打印技術應用于全新開發的車型，如BMW i系列在原型車階段就大量使用了3D打印技術。除了用于引領趨勢的新車型，3D打印技術另一個富有魅力的應用領域就是寶馬老爺車，尤其是那些歷史久遠的藏品，可以利用三維技術對零件進行掃描得到電子數據。通過這種逆向的生產方式，一些已經停產的零件得以重新生產。

　　2014年，寶馬集團在車輛總裝線上引入了3D打印的人體工程學生產工具，每個工具都是根據工人的手型單獨定制的，用于保護工人的拇指關節在工作中免受過大的壓力。

　　寶馬還與瑞典設計師Erik Melldahl用3D打印技術打造出一款名為“Maasaica”的概念車，動力來源自太陽能電池，車身材質采用可分解材質（菌絲與草的復合體），整體而言造型既前衛又充滿流線；顯示出綠能環保的趨勢，改變了傳統的制車模式。

寶馬3D打印技術另一種重要應用是制造金屬零件，這種新的技術方案已經用于小規模量產。近幾年來，BMW德國房車大師賽的賽車就裝備了3D打印的水泵轉子。這一高精度零件的材質為輕質鋁合金，其卓越表現已在賽車的極限使用環境中得到驗證。

　　寶馬“快速成型創新中心”每年可以處理集團內部近2．5萬個快速模型和近10萬個零部件的制造需求，其中包括設計樣品的小型塑料外殼以及用于功能測試的底盤組件。根據制造工藝和零部件尺寸，樣品的生產僅需數天即可完成。

　　奧迪：3D打印金屬部件用于汽車生產

奧迪公司當前使用的是大尺寸金屬3D打印機，可以制造240毫米長、200毫米寬的部件。同時他們還表示將引入更大的3D打印設備。奧迪公司負責工具制造的Hubert Watl 表示，奧迪將與研究伙伴一起共同推進這項新的制造工藝，將3D打印的金屬部件用于普通汽車生產是奧迪的目標之一。

　　同時，奧迪還使用金屬3D打印技術打造出了一輛完整地經典款賽車，這款縮小了一半的3D打印賽車可容納一名駕駛員。奧迪表示，他們將與其母公司——大眾汽車集團的其他成員共同協作，尋找將金屬3D打印用于汽車生產的方法。

　　福特：加速從概念到量產的發展

　　美國福特汽車公司宣布將與3D打印公司Carbon 3D合作，使用3D打印技術來生產高質量的汽車部件，加速車輛從設計到量產的過程。

早在2014年12月，兩家公司已經展開合作協商，就用3D打印高速高質量標準制造部分汽車配件開展可能性討論。Carbon 3D推出的CLIP新技術可讓3D打印速度較傳統3D打印塊25到100倍，可以使用的材料也更加廣泛。福特表示，該公司會以自己的高質量標準對3D打印配件的質量進行監控，經過測試，使用CLIP新技術的3D打印汽車配件完全滿足福特的要求。據悉，目前使用3D打印部件的汽車將包括福特C－MAX 和福特福星混合動力車里的轉子、阻尼器外殼和變速器、福特翼虎復合動力車使用EcoBoost 四氣缸發動機和福特2011 版探險家的剎車片。

　　福特集團全球產品開發副總裁Raj Nair表示，福特推動創新的能力取決于從概念到量產有多快。此項技術能夠快速將福特的產品從原型概念轉變為實際產品，甚至能夠直接量產。高于之前任何的方法，福特能夠借此技術最快地將最新車型提供給消費者。

奔馳：全石墨烯3D打印最新概念車

　　梅賽德斯－奔馳推出最新概念車梅賽德斯－奔馳DTW，其擁有米其林3D輪胎打印系統。該系統由很小的3D打印機噴嘴組成，這些噴嘴被安裝在每個輪胎的后面，當汽車駕駛時它能夠把膠噴到輪胎上，可以有效地更新和改變輪胎的表面，以獲得最佳的性能。DTW整體采用石墨烯材料制成，比鋼的強度更大，但是重量卻更輕。同時，材料的透明度很高，坐在駕駛艙里就能夠看到窗外的全景。據了解，這款汽車是為2030年勒芒24小時汽車耐力賽而設計。

　　本田：與3D打印公司合作大空間車型

豐田汽車公司與日本一家軟硬件技術公司Kabuku合作打造了短程電動汽車系列Micro Commuter。Kabuku公司在3D打印技術領域有很強實力，其3D打印技術被稱為Rinkak，常被用來打造汽車外板。

　　Micro Commuter除了給駕駛員提供寬敞的空間，還用于移動宣傳并能夠在位于東京西南部Kamakura地區的公司總部附近狹窄的道路上駕駛。該車長2．495米，寬1．28米。高1．545米，重600千克，與本田MC－Beta電動汽車一般大小。MC－Beta是在2013年于日本推出，但已經在2016年三月份宣布停產。然而，MC－Beta的滾動底盤卻被運用到Micro Commuter上，這主要得益于3D打印技術使得車身外板能夠在此商用車上得以運用，在外形和行李空間上煥然一新。

豐田還與Kabuku合作用3D打印技術為豐田i－Road commuter汽車量身打造了汽車車身。再次利用舊款車型打印車身，更加方便快捷。雙方的合作也進一步推進了3D技術的發展。

　　豐田：提高3D打印零部件兼容性

　　豐田與克萊姆森大學國際汽車研究中心的學生合作開發出uBox概念車，目標群體定位城市青年人群。車身多處為3D打印，可實現個性化定制。uBox汽車造型獨特，配備LED燈、向后拉開的車門、結合碳纖維和輕質鋁的曲面玻璃車頂。車內設計非常個性化，座椅十分靈活。

同時，豐田還宣布了一項“道路開放計劃”Open Road Project。該項目目前主要針對i－Road超級緊湊型電動車，有100名參與者在提前體驗總共10輛i－Road，這100人當中，既有平凡的普通人，也包括業內的時尚專家。

　　雖然i－Road是一輛超級緊湊型汽車，但是卻也能直接通過100V的交流電充電。此外，豐田還讓i－Road對定制化的3D打印零部件有著極好的兼容性，使得駕駛者能夠根據日常需求來進行一定的改裝，比如選擇自己喜歡的顏色和紋理等等。

　　標致雪鐵龍：車輛生產線應用3D打印金屬覆蓋件

標致雪鐵龍與洛杉磯的3D打印公司Divergent簽署了戰略合作協議書，達成在金屬材料打印等方面的合作意向。戰略合作內容包括為標致雪鐵龍的車輛生產線研發3D打印的金屬覆蓋件，以實現整車結構輕量化，降低其生產成本。Divergent公司稱其已經研究出一套與3D打印技術配套的軟硬件平臺，通過該平臺可以大幅優化整車設計過程，并能夠輕松打印出復雜的汽車部件。標致雪鐵龍表示，此次合作將有效降低標致雪鐵龍的整車與零部件生產成本。

　　雙方合作初期將在Divergent公司位于法國巴黎附近的Velizy研發中心進行試制，下一步將嘗試汽車零部件的3D打印與裝配，最終目標是利用該技術打印出“完整的車體結構”。

　　標致雪鐵龍CEO唐唯實 （Carlos Tavares）表示，應用3D打印技術能夠大幅縮減生產工廠的規模，減輕整車重量并降低生產的復雜程度，同時也能給產品設計增添無限的靈活空間。

　　殼牌：推出3D打印低油耗節能概念車

在北京798藝術區，殼牌推出了首款城市概念車。采用了再生纖維與3D打印技術的這款概念車，在時速70公里的情況下，油耗比混合動力車還要低，百公里油耗不到三升。殼牌公司方面表示，這款汽車成本僅為一輛傳統鋼結構汽車的四分之一，因此價格制定會充分考慮經濟性。

　　舍弗勒：戰略合作發展增材制造技術

舍弗勒與德馬吉森精機在日本國際機床展覽會上簽署合作協議，就在滾動軸承增材制造領域實現雙方的共同發展達成共識。德馬吉森精機研發的Lasertec653D技術為雙方的合作發展奠定了堅實基礎，這是一款五軸多工序自動數控機床，其中包括舍弗勒將采用的激光金屬沉積焊接機。該機床旨在發展激光金屬沉積焊接增材生產技術，并將其最終運用于滾動軸承部件的原型及小批量柔性制造中。雙方合作聚焦于工藝流程、所用材料及材料與工藝的匹配性。采用激光金屬沉積焊接技術可在熔化材料的同時將其應用于物體表面，因此材料為金屬粉末，而熱源是一種高性能激光。增材制造工藝與德馬吉森為混合設備而研發的傳統五軸機械加工技術相結合，可提高部件加工速度。

　　索爾維：推出預測模擬設計平臺

索爾維推出MMI？ Technyl？ 模擬設計服務助力汽車功能件的3D制造。索爾維首次將Sinterline？粉末和可預測模擬設計技術－MMI Technyl？Design結合使用，成功實現Polimotor 2一款進氣歧管的3D制造。Polimotor 2項目旨在開發重量僅為63－67公斤（138－148lbs）的全塑發動機，低于目前標準的引擎產品約40公斤（90lbs），以此來降低油耗和二氧化碳排放。基于對Sinterline？材料參數和激光燒結打印工藝的深度了解，可預測模擬設計顯示進氣歧管的設計可比原先預想的輕30％。

　　Polimotor項目的設計者和負責人MattiHoltzberg表示，運用Sinterline？ Technyl？PA6技術打印的這款進氣歧管操作簡便，且在真實的工作狀態下不會出現故障。將可預測模擬設計與3d打印技術相結合，可以更好地發揮減重帶來的優勢。

　　西門子：釋放增材制造革命的全部潛能

西門子開發出新的增材制造綜合解決方案，新方案將包括西門子NX軟件，新的Simcenter工具包，Teamcenter軟件，以及SIMATICIT統一架構離散制造和SIMATICWinCC，后者是西門子制造運行管理（MOM）工具包的組件，該方案將釋放增材制造革命的全部潛能，可使企業在減少成本的同時獲得最佳性能。

新解決方案將在2017年1月發布，由集成的設計、仿真、數字制造、數據和工藝管理軟件組成。集成的解決方案將在所有階段使用智能產品模型，無需在應用或工藝之間轉換或翻譯。解決方案將使用新的拓撲優化能力實現設計的自動生成。這一技術與西門子新的先進增材制造軟件相結合，可使企業重塑每件事情，在減少成本的同時獲得最佳性能。此外，3D打印一個優化的零件外形的能力可以減少一個組合件中的零件數量，從而減重和增加強度。因此，航空航天、汽車和醫療設備等行業將實現巨大價值。

　　西門子面向金屬和塑料零件的3D打印準備解決方案，將從設計和仿真階段使用同樣的智能產品模型，幫助設計更改自動化并優化整個工藝。新解決方案將輔助操作員準備用于粉末床和多噴射熔融打印的零件。對3D打印金屬零件來說，NX為激光金屬沉積和NC編程提供模型準備，這包括混合增材數控機床的仿真。對塑料和碳纖維增強尼龍這樣的積壓材料來說，一個新的多軸機器人FDM編程技術已經開發并正在測試。在零件打印出后，同樣的集成NX系統用于打印后NC操作，如去除支撐結構的直觀編程、精密表秒的加工和其它加工與檢測操作。

　　今后趨勢及最新進展

據了解，知名美國3D打印汽車公司Local Motors在歐洲的首座微工廠即將正式啟動。這座工廠位于德國首都柏林，面積達1500平方米，將成為該公司EMEA（即歐洲、中東和非洲）業務的總部，與他們已經在美國建成的3座工廠（分別位于亞利桑那、馬里蘭和田納西州）一樣負責3D打印汽車的設計、制造和銷售工作。

這座嶄新的德國工廠目前擁有11名員工，包括項目經理、汽車及軟件工程師等。而其首款產品則將是Local Motors在幾個月之前與IBM聯合發布的全球首款物聯網小型巴士Olli。這款巴士是專為緩解柏林這樣大城市的交通擁堵問題設計的，搭載有IBM Watson云計算平臺，雷達和攝像頭等傳感設備，能實現完全的自動駕駛，最多能裝下12名乘客，還配有一款專用App，能讓乘客輕松看到Olli的路線然后租用它。

　　新材料、新技術對產業的拉動作用不可小視，3D打印技術能夠促使汽車制造企業拋開傳統加工生產思路，運用科技創新思路，把3D打印與汽車行業聯系起來，完成體系創新。可以實現單件小批快速定制，包括結構設計一體化，進一步實現柔性化，在這個過程中能夠實現節能減排、提高質量、提高生產效率，從而推動整個汽車制造業綠色化發展。相信，3D打印技術將會讓汽車行業受益無窮。

　　( 文章來源：互聯網 )

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