近20年來，增材制造技術(shù)取得了快速發(fā)展，在消費(fèi)電子、汽車、航空航天、醫(yī)療健康等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。在汽車產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，從3D打印模型到定制化小規(guī)模生產(chǎn)運(yùn)行，3D打印技術(shù)主要應(yīng)用在整車OEM公司的生產(chǎn)設(shè)計(jì)上。3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域是否還有更廣闊的發(fā)展空間？需要我們來進(jìn)一步“挖一挖”。

3D打印在設(shè)計(jì)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛

汽車制造是金屬3D打印技術(shù)重要的應(yīng)用領(lǐng)域。運(yùn)用3D打印技術(shù)，汽車設(shè)計(jì)師可以快速制造原型，加快新車研發(fā)效率；小批量零件生產(chǎn)，則可以縮短供應(yīng)鏈并節(jié)省成本，3D打印可謂是汽車行業(yè)重要的補(bǔ)充技術(shù)。除此之外，3D打印所特有的復(fù)雜零件制造優(yōu)勢(shì)，更可以簡(jiǎn)化汽車零件數(shù)量、降低重量，并節(jié)省材料。

在設(shè)計(jì)方面，利用3D打印技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以在數(shù)小時(shí)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(jì)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(jì)圖轉(zhuǎn)換成實(shí)物，而且時(shí)間更短，提高汽車設(shè)計(jì)層面的生產(chǎn)效率。目前許多廠商已經(jīng)在設(shè)計(jì)方面開始利用3D打印技術(shù)，比如寶馬、奔馳設(shè)計(jì)中心。

在材料方面，3D打印允許多樣的材料選擇。不同的機(jī)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(shí)修正錯(cuò)誤并完善設(shè)計(jì)，使得錯(cuò)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(shí)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。針對(duì)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，可以幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)快速小批量工具定制、降低成本并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

特別是在汽車零部件設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中，借助3D打印技術(shù)，廠商能夠?qū)崿F(xiàn)小批量定制部件和生產(chǎn)自動(dòng)化，并且可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)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，且當(dāng)測(cè)試出現(xiàn)問題時(shí)，修改3D文件重新打印即可再次測(cè)試。

知名市場(chǎng)咨詢機(jī)構(gòu)Frost & Sullivan最近發(fā)布的一份相關(guān)調(diào)查報(bào)告顯示，隨著3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)中的應(yīng)用迅速增加，預(yù)測(cè)汽車3D打印的市場(chǎng)規(guī)模有望于2025年達(dá)到43億美元。

實(shí)戰(zhàn)！它們?nèi)绾务{馭3D打印

汽車行業(yè)是3D打印技術(shù)最早的應(yīng)用領(lǐng)域之一，近年來，許多前沿汽車制造企業(yè)已經(jīng)將3D打印技術(shù)應(yīng)用于汽車研發(fā)過程。

早在2005年，一汽-大眾便引進(jìn)了FDM、SLA和SLS 3D三種主流打印技術(shù)。從最早的3D Systems iPro8000 SLA光敏樹脂設(shè)備，到后來的Stratasys FDM Fotus 450以及湖南華曙的SS402P SLS設(shè)備，一汽-大眾將其應(yīng)用于所有新車研發(fā)中，制作3D打印原型件、展示件、試驗(yàn)零件等，如今每年3D打印汽車零部件達(dá)5000件左右。

據(jù)一汽-大眾高級(jí)工程師吳宏濤介紹，與傳統(tǒng)注塑工藝及其他3D打印技術(shù)相比起來，采用SLS技術(shù)制作的樣件具有良好的強(qiáng)度和優(yōu)異的抗沖擊性能，并且可以快速、便捷地修改設(shè)計(jì)方案并反復(fù)大量迭代，在確保原型產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，大大縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和原型開發(fā)所需的時(shí)間，提高了研發(fā)效率。

英國(guó)知名工業(yè)設(shè)計(jì)工作室Vital Auto，曾服務(wù)于沃爾沃、日產(chǎn)、蓮花、邁凱倫、吉利、TATA等汽車制造商。以車型設(shè)計(jì)為例，之前其為客戶設(shè)計(jì)及制作一款汽車油泥模型，一般采用手工粘土和銑削零件等傳統(tǒng)工藝，需要5-30人的團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)3-12個(gè)月的時(shí)間、十幾次修改重塑。

為此，Vital Auto 3D打印部門引入多臺(tái)Formlabs的打印機(jī)。3D打印機(jī)的快速修改及全天候運(yùn)營(yíng)，不僅提高了設(shè)計(jì)工作室的工作效率，更降低了成本，同時(shí)還為客戶提供了多樣化的設(shè)計(jì)創(chuàng)意。

美國(guó)汽車巨頭通用汽車認(rèn)為，3D打印領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)該加緊利用。目前通用汽車主要將3D技術(shù)應(yīng)用在工廠模具和固定裝置生產(chǎn)上。據(jù)介紹，通用汽車已經(jīng)很好地掌握了3D打印作為原型設(shè)計(jì)工具的能力，許多部件都是在各種測(cè)試環(huán)境中用于預(yù)生產(chǎn)車輛的功能模型。

據(jù)悉，通用汽車已經(jīng)成功解決了早期工具成本費(fèi)用昂貴以及零件快速迭代的問題。在雪佛蘭克爾維特的制動(dòng)冷卻管道開發(fā)過程中，該公司利用增材制造技術(shù)將時(shí)間縮短了9周，成本降低60%。

除了上述公司外，福特、寶馬、蘭博基尼、保時(shí)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。

另一個(gè)未來：3D打印電動(dòng)機(jī)

雖然3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)到目前為止并未在汽車批量化制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。這是因?yàn)?，汽車生產(chǎn)需要高度的自動(dòng)化、高效率、低成本、質(zhì)量一致性，這似乎與3D打印當(dāng)前的發(fā)展水平存在不少“鴻溝”。

業(yè)內(nèi)人士分析指出，目前3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域主要面對(duì)的瓶頸包括多個(gè)方面。

一是受限于機(jī)器尺寸，粉末床金屬熔融技術(shù)當(dāng)前普遍限制在400毫米或者在600毫米，很難打印大的零部件；二是在準(zhǔn)確性方面，增材制造需要能夠以最小的后處理需求來創(chuàng)建精確的零件；三是效率問題：目前增材制造對(duì)于汽車生產(chǎn)來說仍太慢，沖壓機(jī)每六秒鐘可生產(chǎn)一個(gè)零件，而粉末床金屬熔融技術(shù)則需要幾個(gè)小時(shí)才能生產(chǎn)一批小零件；四是成本問題：作為高產(chǎn)量、高質(zhì)量產(chǎn)業(yè)，汽車對(duì)生產(chǎn)制造成本要求較高，雖然增材制造可以將許多零件組合在一起一次完成，但鑄造相較增材制造幾乎可以便宜兩個(gè)數(shù)量級(jí)。

3D打印技術(shù)如何在汽車領(lǐng)域進(jìn)一步突破？3D打印電動(dòng)機(jī)可能是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

業(yè)內(nèi)人士指出，在全球“凈零”目標(biāo)下，擴(kuò)大高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)綠色供給、拓展高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)鏈、加快高效節(jié)能電動(dòng)機(jī)推廣應(yīng)用，以及推進(jìn)電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)智能化、數(shù)字化提升，將是“十四五”時(shí)期重點(diǎn)工作，其中電動(dòng)機(jī)能效提升將是大勢(shì)所趨，而3D打印電動(dòng)機(jī)極有可能成為3D打印在汽車產(chǎn)業(yè)中的重要應(yīng)用技術(shù)。

無論是在工業(yè)領(lǐng)域還是交通領(lǐng)域，未來的驅(qū)動(dòng)任務(wù)都對(duì)各個(gè)組件提出了很高的要求。一方面基于傳統(tǒng)的制造工藝，優(yōu)化的幾何形狀通常是不可能的，結(jié)果是設(shè)計(jì)者只能在性能和效率上痛苦折衷，某種意義上電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典制造工藝已經(jīng)達(dá)到了極限。

另一方面，隨著增材制造技術(shù)日趨成熟，盡管目前與傳統(tǒng)生產(chǎn)方法相比速度較慢且可靠性較低，但增材制造系統(tǒng)在生產(chǎn)具有非常規(guī)拓?fù)鋬?yōu)化（TO-Topology Optimization)結(jié)構(gòu)或小批量零件時(shí)會(huì)大放異彩，這為電動(dòng)機(jī)的制造開辟了另外一條曲徑通幽之路。

當(dāng)前，世界上的電動(dòng)機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)已將大量精力轉(zhuǎn)移到將增材制造系統(tǒng)集成于電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)周期中，以實(shí)施更強(qiáng)大、更高效地拓?fù)鋬?yōu)化下一代電動(dòng)機(jī)。3D打印電動(dòng)機(jī)似乎只是時(shí)間問題，預(yù)測(cè)在未來幾年內(nèi)，原型拓?fù)鋬?yōu)化電動(dòng)機(jī)組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動(dòng)機(jī)繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。

當(dāng)然，隨著技術(shù)、材料以及打印速度的進(jìn)一步突破，在不久的將來3D打印或許可以在汽車汽車領(lǐng)域大有所謂。我國(guó)作為世界上最大的汽車產(chǎn)銷國(guó)之一，3D打印技術(shù)在我國(guó)汽車制造領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用將是不可逆的趨勢(shì)，而業(yè)內(nèi)對(duì)于3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的探討也將不斷深入下去。

2023年9月12-14日，亞洲3D打印、增材制造展覽會(huì)（TCT亞洲展）將在上海國(guó)家會(huì)展中心舉辦。以“應(yīng)用驅(qū)動(dòng)變革”為主題的TCT亞洲峰會(huì)也將同期舉行。在交通與工業(yè)論壇中，主辦方將邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家分享3D打印在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維修等方面的應(yīng)用實(shí)例，包括如何利用3D打印技術(shù)簡(jiǎn)化工裝夾具的制造流程、提高制造效率、降低成本等方面的經(jīng)驗(yàn)。對(duì)3D打印技術(shù)充滿期待的業(yè)內(nèi)人士，不可錯(cuò)過。

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