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從實驗室走向生產(chǎn)線,3D打印的未來就是汽車輕量化的未來 

2021-07-26 21:28
編者按:本文來自微信公眾號“3D打印技術(shù)參考”(ID:AMReference),3D打印資源庫經(jīng)授權(quán)發(fā)布。

盡管3D打印汽車已經(jīng)有了顯著的發(fā)展,但要進(jìn)入量產(chǎn)時代可能還需要一點時間。大多數(shù)3D打印汽車項目要么是原型車,要么是3D打印的汽車零件。而且盡管在優(yōu)化、設(shè)計和可持續(xù)發(fā)展方面取得了相當(dāng)大的進(jìn)展,但3D打印技術(shù)仍然無法打印出整輛汽車。

這種情況下,有人認(rèn)為3D打印只是個噱頭,在汽車工業(yè)的整套生產(chǎn)體系中存在的意義并不大,然而事實并非如此。

汽車行業(yè)已是3D打印最主要的應(yīng)用市場

如今,汽車行業(yè)已經(jīng)成為3D打印技術(shù)最為重要的市場。雖然仍舊不能大批量、低成本、高效率的制作出類似汽車三大件的核心零部件,但在其他方面,3D打印確實能起到很好的替代作用,在整車的生產(chǎn)鏈條中屬于錦上添花一樣的存在。

縱觀所有應(yīng)用,3D打印主要在三個方面發(fā)揮作用,分別是原型制作、輕量化、復(fù)雜最終用途部件以及工裝夾具。

采用3D打印進(jìn)行原型制作在今天仍然被廣泛使用,它可以快速開發(fā)和測試不同的零件。因為可以制造多種具備不同機(jī)械特性的材料,這一優(yōu)點被許多制造廠商應(yīng)用到汽車內(nèi)飾部件的產(chǎn)品設(shè)計及研發(fā)階段的評估中。方向盤、儀表板、空調(diào)排氣扇、汽車操縱桿等多種材料和工藝組成的零件,都可借助3D打印技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)原型制造。

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聚合物3D打印材料可用于各種類型的汽車零件(來源:BASF Forward AM)

由于材料和技術(shù)的進(jìn)步,3D打印近幾年也被用于最終零件的生產(chǎn),尤其是具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輕量化部件、因車輛停產(chǎn)導(dǎo)致的缺失備件以及定制化部件。根據(jù)Sculpteo的最新調(diào)研報告,在去年使用3D打印的公司中,有50%的公司是為了生產(chǎn)最終用途零件。

2017年,梅賽德斯-奔馳在制造業(yè)轉(zhuǎn)型中邁出了重要一步:使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)金屬部件,其中就包括采用鑄鋁合金3D打印的奔馳卡車的恒溫器。不僅如此,梅賽德斯-奔馳表示該環(huán)節(jié)通過了所有嚴(yán)格的質(zhì)量測試。

日系企業(yè)也已經(jīng)把3D打印作為王牌武器添加到他們的生產(chǎn)線里。在今年年初,本田的研發(fā)部門就與軟件公司Autodesk展開合作,雙方設(shè)計了一款曲柄軸部件并采用3D打印技術(shù)制造樣品,從而實現(xiàn)車輛輕量化并提升發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。因為曲軸部件的材料及制造工藝特殊性,曲軸整體結(jié)構(gòu)自發(fā)動機(jī)誕生以來都沒有發(fā)生太大的變化。如今,隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用,本田的設(shè)計方案相較前述產(chǎn)品減重30%,可以說是一項新的突破。此外,本田一直致力于使用3D打印技術(shù)及智能設(shè)計方案來優(yōu)化汽車零部件的設(shè)計。迄今為止,本田對座椅安全帶支架、發(fā)動機(jī)控制單元及車架等多類汽車零部件都進(jìn)行了升級,也利用3D技術(shù)實現(xiàn)了車身零部件的輕量化。
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奔馳3D打印的卡車恒溫器

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本田3D打印的曲柄軸

3D打印技術(shù)的采用可以提高產(chǎn)量并降低成本,同時也為大規(guī)模定制打開了大門。如今,OEM也可以提供個性化的零件,同時能夠為汽車提供定制零件。保時捷在今年利用3D打印技術(shù)制造了全新形態(tài)的全桶式座椅,不僅更加符合人體工程學(xué),還具有更輕的重量和更好的乘坐舒適性,可為量產(chǎn)車客戶提供體驗賽車運動的機(jī)會。保時捷計劃在2020年限量生產(chǎn)40個3D打印定制座椅,用于保時捷911和718系列車型當(dāng)中,搭配用于賽道的六點式安全帶。保時捷收到這些客戶的反饋后,將在2021年年中在個性化定制服務(wù)中推出。

工裝夾具,是3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的另一個重要應(yīng)用。相較于數(shù)控機(jī)床加工,3D打印夾具和固定裝置所需的生產(chǎn)時間減少了75%,浪費的材料更少且不會增加操作復(fù)雜性,而且?guī)缀蹩蓪崿F(xiàn)無勞力生產(chǎn)。2014年,大眾集團(tuán)葡萄牙工廠采購了7臺FDM打印機(jī)進(jìn)行工裝夾具直接制造,將傳統(tǒng)制造商完全甩開?,F(xiàn)場制造的特點規(guī)避了很多不確定性,打印機(jī)的投資在兩個月內(nèi)快速回籠,并且制造成本大幅降低,也不再需要備件庫存。更為關(guān)鍵的是,采用3D打印制造的夾具完全符合使用要求。

2016年,葡萄牙工廠3D打印了約1000個工裝零件,已成為整個大眾集團(tuán)的最佳實踐。目前該工廠93%的工裝夾具采取內(nèi)部按需制造,節(jié)省時間并極具成本優(yōu)勢。因原型和工裝夾具采用內(nèi)部3D打印,該工廠在2016年節(jié)省了16萬歐元的開發(fā)成本,2017年這一數(shù)據(jù)達(dá)到32.5萬歐元,成本降低比例達(dá)91%;與此同時,其開發(fā)時間也減少了95%,大大加快了產(chǎn)品上市速度。

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3D打印的機(jī)器人終端夾持器

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大眾集團(tuán)采用3D打印制造的工裝

將3D打印技術(shù)融入汽車生產(chǎn)制造過程中,這些案例只是冰山一角。寶馬、大眾、福特、本田等車企都在各自的設(shè)計中心探索著3D打印對汽車生產(chǎn)制造帶來的更多可能性,相比于傳統(tǒng)造車過程,3D打印技術(shù)可以為車企節(jié)省更多的成本,縮短研發(fā)到上市的時間。3D打印機(jī)可以24小時全天候工作,并且可以通過接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向生產(chǎn),讓整個汽車制造過程變得更加靈活多變,使汽車制造業(yè)變得更加高效。

3D打印改變電動車行業(yè)的“游戲規(guī)則”

對于電動車行業(yè)來說,3D打印或?qū)?quot;改變游戲規(guī)則"。目前,在電動車的推廣上來說,消費者對于有限續(xù)航里程的擔(dān)憂是一大障礙,而車輛變輕不僅能夠改善燃油經(jīng)濟(jì)性,還能夠延長車輛續(xù)航里程。

輕量化制造已經(jīng)成為了汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向,而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用,讓汽車輕量化制造的目標(biāo)變得更容易實現(xiàn)。以特斯拉為例,作為電動車市場絕對的領(lǐng)軍企業(yè),特斯拉似乎使用了一種多軸聚合物DED工藝將材料沉積在注塑成型零件的表面上,從而重新生成所需的形狀。在金屬覆層中,零件修復(fù)的類似做法在某種程度上很常見,但在聚合物零件生產(chǎn)中尚未見到。Stratasys西門子(以及波音和福特)一直在研究這種3D打印硬件,主要用于沉積復(fù)合材料。
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特斯拉Model Y一體成型車架,將原來70個零部件合為2個大件

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特斯拉Model Y具有3D打印部件(上圖左)

在此基礎(chǔ)上,特斯拉汽車公司希望更廣泛地采用3D打印技術(shù)來改進(jìn)生產(chǎn)效率。日前,特斯拉發(fā)布了最新的招聘啟事,為美國內(nèi)華達(dá)州超級工廠招聘增材制造技術(shù)員,其中提及到了快速發(fā)展增材制造業(yè)務(wù),可以看出特斯拉看好3D打印技術(shù)的潛力,未來將可能會投入更多的應(yīng)用。

然而,特斯拉對自己使用的3D打印技術(shù)嚴(yán)格保密,但結(jié)構(gòu)一體化與輕量化的結(jié)合是新能源汽車搶占技術(shù)發(fā)展前沿的一大努力方向。新能源汽車設(shè)計迭代快,產(chǎn)量大小存在波動,制造商對于創(chuàng)新生產(chǎn)理念的追求,使得新能源汽車的生產(chǎn)要在靈活性和生產(chǎn)率之間取得平衡。而采用3D打印技術(shù)制造整車,在人們覺得瘋狂的同時,卻已經(jīng)走下生產(chǎn)線。

意大利XEV是全球增材制造(3D打?。┑念I(lǐng)頭羊,是一家“互聯(lián)網(wǎng)+工業(yè)4.0+智能電動汽車”的新興造車公司。團(tuán)隊由來自寶馬、大眾等知名車企。XEV開創(chuàng)性的將3D打印技術(shù)應(yīng)用到汽車研發(fā)和生產(chǎn)中,以達(dá)到降低造車成本,滿足高度定制化需求的目的。

XEV創(chuàng)新型汽車工廠的核心為智能增材生產(chǎn)解決方案,通過多臺汽車級智能3D打印機(jī)的配合,達(dá)到環(huán)保高效以及低成本的汽車3D打印生產(chǎn)線。XEV創(chuàng)新型汽車工廠相比傳統(tǒng)的汽車生產(chǎn)線,可將成本和新車研發(fā)時間減少多達(dá)90%。
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XEV旗下LSEV電動汽車的每個部件采用3D打印需要花費的時間

2019年3月,XEV與韓國濟(jì)州的JMC公司簽訂了世界首個汽車級增材汽車生產(chǎn)合同,這一智能生產(chǎn)解決方案包含了50臺3D打印機(jī)和4個后處理站,總價超過300萬歐元。2020年4月,XEV與中國富路集團(tuán)成立合資公司,后者將以制造經(jīng)驗與精益生產(chǎn)工藝為XEV提供穩(wěn)定且高品質(zhì)的產(chǎn)品輸出,充分圍繞3D打印技術(shù),打造完整汽車生態(tài)圈,協(xié)助提升XEV在歐洲市場占有率,鞏固XEV在新能源方面的強(qiáng)勢地位。合作合資以后,率先推向歐洲市場的是富路集團(tuán)首批100臺產(chǎn)品“北汽小貓”。

XEV的另一款最新產(chǎn)品YOYO,全身采用3D打印技術(shù)制造,盡管只是首批試制車,YOYO目前已獲得多項認(rèn)證。作為全球首臺量產(chǎn)化3D打印新能源汽車,其最大的特點就是安全性。3D打印的復(fù)雜結(jié)構(gòu)可提升零件的強(qiáng)度,同時也會提升整車的安全性和可靠性。
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YOYO新能源汽車

XEV 的目標(biāo)是改變用戶城市內(nèi)出行的通勤方式,通過創(chuàng)新的增材制造方式,達(dá)到產(chǎn)品的個性化定制,最終改變用戶的出行習(xí)慣以及生活方式。據(jù)悉,首批YOYO新能源汽車將于今年12月底交付,在歐洲的預(yù)訂已經(jīng)超過34000臺。此外,XEV在香港、上海均設(shè)有研發(fā)中心和商務(wù)機(jī)構(gòu),旨在于2025年成長為中國年出口量最大的新能源汽車企業(yè)。在北京搖到號的小伙伴會不會購買這臺僅重550公斤的3D打印汽車呢?

END

使用3D打印技術(shù),可以更好地滿足車企的需求。在競爭激烈的汽車制造行業(yè),已經(jīng)有越來越多的制造商采用3D打印技術(shù)在大批量生產(chǎn)前低成本的測試產(chǎn)品和制造定制化的配件。雖然現(xiàn)今階段主流的3D打印技術(shù)只停留在樣品生產(chǎn)階段,還不能進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)節(jié),但僅在樣品試制階段,就已經(jīng)為企業(yè)節(jié)省了不少成本及時間。相信在未來,3D打印勢必會給造車行業(yè)帶來重大突破,類似YOYO這樣的量產(chǎn)型3D打印新能源車將越來越普遍的出現(xiàn)在購車清單之中。

注:本文內(nèi)容由百姓評車原創(chuàng),3D打印技術(shù)參考再編輯,轉(zhuǎn)載已獲授權(quán)。
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