从实验室走向生产线,3D打印的未来就是汽车轻量化的未来 

发布时间: 2021-07-26 21:28
编者按:本文来自微信公众号“3D打印技术参考”(ID:AMReference),3D打印资源库经授权发布。

尽管3D打印汽车已经有了显著的发展,但要进入量产时代可能还需要一点时间。大多数3D打印汽车项目要么是原型车,要么是3D打印的汽车零件。而且尽管在优化、设计和可持续发展方面取得了相当大的进展,但3D打印技术仍然无法打印出整辆汽车。

这种情况下,有人认为3D打印只是个噱头,在汽车工业的整套生产体系中存在的意义并不大,然而事实并非如此。

汽车行业已是3D打印最主要的应用市场

如今,汽车行业已经成为3D打印技术最为重要的市场。虽然仍旧不能大批量、低成本、高效率的制作出类似汽车三大件的核心零部件,但在其他方面,3D打印确实能起到很好的替代作用,在整车的生产链条中属于锦上添花一样的存在。

纵观所有应用,3D打印主要在三个方面发挥作用,分别是原型制作、轻量化、复杂最终用途部件以及工装夹具。

采用3D打印进行原型制作在今天仍然被广泛使用,它可以快速开发和测试不同的零件。因为可以制造多种具备不同机械特性的材料,这一优点被许多制造厂商应用到汽车内饰部件的产品设计及研发阶段的评估中。方向盘、仪表板、空调排气扇、汽车操纵杆等多种材料和工艺组成的零件,都可借助3D打印技术和设备实现原型制造。

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聚合物3D打印材料可用于各种类型的汽车零件(来源:BASF Forward AM)

由于材料和技术的进步,3D打印近几年也被用于最终零件的生产,尤其是具有复杂结构的轻量化部件、因车辆停产导致的缺失备件以及定制化部件。根据Sculpteo的最新调研报告,在去年使用3D打印的公司中,有50%的公司是为了生产最终用途零件。

2017年,梅赛德斯-奔驰在制造业转型中迈出了重要一步:使用3D打印技术生产金属部件,其中就包括采用铸铝合金3D打印的奔驰卡车的恒温器。不仅如此,梅赛德斯-奔驰表示该环节通过了所有严格的质量测试。

日系企业也已经把3D打印作为王牌武器添加到他们的生产线里。在今年年初,本田的研发部门就与软件公司Autodesk展开合作,双方设计了一款曲柄轴部件并采用3D打印技术制造样品,从而实现车辆轻量化并提升发动机燃油经济性。因为曲轴部件的材料及制造工艺特殊性,曲轴整体结构自发动机诞生以来都没有发生太大的变化。如今,随着3D打印技术的应用,本田的设计方案相较前述产品减重30%,可以说是一项新的突破。此外,本田一直致力于使用3D打印技术及智能设计方案来优化汽车零部件的设计。迄今为止,本田对座椅安全带支架、发动机控制单元及车架等多类汽车零部件都进行了升级,也利用3D技术实现了车身零部件的轻量化。
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奔驰3D打印的卡车恒温器

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本田3D打印的曲柄轴

3D打印技术的采用可以提高产量并降低成本,同时也为大规模定制打开了大门。如今,OEM也可以提供个性化的零件,同时能够为汽车提供定制零件。保时捷在今年利用3D打印技术制造了全新形态的全桶式座椅,不仅更加符合人体工程学,还具有更轻的重量和更好的乘坐舒适性,可为量产车客户提供体验赛车运动的机会。保时捷计划在2020年限量生产40个3D打印定制座椅,用于保时捷911和718系列车型当中,搭配用于赛道的六点式安全带。保时捷收到这些客户的反馈后,将在2021年年中在个性化定制服务中推出。

工装夹具,是3D打印技术在汽车领域的另一个重要应用。相较于数控机床加工,3D打印夹具和固定装置所需的生产时间减少了75%,浪费的材料更少且不会增加操作复杂性,而且几乎可实现无劳力生产。2014年,大众集团葡萄牙工厂采购了7台FDM打印机进行工装夹具直接制造,将传统制造商完全甩开。现场制造的特点规避了很多不确定性,打印机的投资在两个月内快速回笼,并且制造成本大幅降低,也不再需要备件库存。更为关键的是,采用3D打印制造的夹具完全符合使用要求。

2016年,葡萄牙工厂3D打印了约1000个工装零件,已成为整个大众集团的最佳实践。目前该工厂93%的工装夹具采取内部按需制造,节省时间并极具成本优势。因原型和工装夹具采用内部3D打印,该工厂在2016年节省了16万欧元的开发成本,2017年这一数据达到32.5万欧元,成本降低比例达91%;与此同时,其开发时间也减少了95%,大大加快了产品上市速度。

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3D打印的机器人终端夹持器

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大众集团采用3D打印制造的工装

将3D打印技术融入汽车生产制造过程中,这些案例只是冰山一角。宝马、大众、福特、本田等车企都在各自的设计中心探索着3D打印对汽车生产制造带来的更多可能性,相比于传统造车过程,3D打印技术可以为车企节省更多的成本,缩短研发到上市的时间。3D打印机可以24小时全天候工作,并且可以通过接收到的数据进行逆向生产,让整个汽车制造过程变得更加灵活多变,使汽车制造业变得更加高效。

3D打印改变电动车行业的“游戏规则”

对于电动车行业来说,3D打印或将"改变游戏规则"。目前,在电动车的推广上来说,消费者对于有限续航里程的担忧是一大障碍,而车辆变轻不仅能够改善燃油经济性,还能够延长车辆续航里程。

轻量化制造已经成为了汽车产业发展的重要方向,而3D打印技术的出现及应用,让汽车轻量化制造的目标变得更容易实现。以特斯拉为例,作为电动车市场绝对的领军企业,特斯拉似乎使用了一种多轴聚合物DED工艺将材料沉积在注塑成型零件的表面上,从而重新生成所需的形状。在金属覆层中,零件修复的类似做法在某种程度上很常见,但在聚合物零件生产中尚未见到。Stratasys和西门子(以及波音和福特)一直在研究这种3D打印硬件,主要用于沉积复合材料。
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特斯拉Model Y一体成型车架,将原来70个零部件合为2个大件

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特斯拉Model Y具有3D打印部件(上图左)

在此基础上,特斯拉汽车公司希望更广泛地采用3D打印技术来改进生产效率。日前,特斯拉发布了最新的招聘启事,为美国内华达州超级工厂招聘增材制造技术员,其中提及到了快速发展增材制造业务,可以看出特斯拉看好3D打印技术的潜力,未来将可能会投入更多的应用。

然而,特斯拉对自己使用的3D打印技术严格保密,但结构一体化与轻量化的结合是新能源汽车抢占技术发展前沿的一大努力方向。新能源汽车设计迭代快,产量大小存在波动,制造商对于创新生产理念的追求,使得新能源汽车的生产要在灵活性和生产率之间取得平衡。而采用3D打印技术制造整车,在人们觉得疯狂的同时,却已经走下生产线。

意大利XEV是全球增材制造(3D打印)的领头羊,是一家“互联网+工业4.0+智能电动汽车”的新兴造车公司。团队由来自宝马、大众等知名车企。XEV开创性的将3D打印技术应用到汽车研发和生产中,以达到降低造车成本,满足高度定制化需求的目的。

XEV创新型汽车工厂的核心为智能增材生产解决方案,通过多台汽车级智能3D打印机的配合,达到环保高效以及低成本的汽车3D打印生产线。XEV创新型汽车工厂相比传统的汽车生产线,可将成本和新车研发时间减少多达90%。
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XEV旗下LSEV电动汽车的每个部件采用3D打印需要花费的时间

2019年3月,XEV与韩国济州的JMC公司签订了世界首个汽车级增材汽车生产合同,这一智能生产解决方案包含了50台3D打印机和4个后处理站,总价超过300万欧元。2020年4月,XEV与中国富路集团成立合资公司,后者将以制造经验与精益生产工艺为XEV提供稳定且高品质的产品输出,充分围绕3D打印技术,打造完整汽车生态圈,协助提升XEV在欧洲市场占有率,巩固XEV在新能源方面的强势地位。合作合资以后,率先推向欧洲市场的是富路集团首批100台产品“北汽小猫”。

XEV的另一款最新产品YOYO,全身采用3D打印技术制造,尽管只是首批试制车,YOYO目前已获得多项认证。作为全球首台量产化3D打印新能源汽车,其最大的特点就是安全性。3D打印的复杂结构可提升零件的强度,同时也会提升整车的安全性和可靠性。
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YOYO新能源汽车

XEV 的目标是改变用户城市内出行的通勤方式,通过创新的增材制造方式,达到产品的个性化定制,最终改变用户的出行习惯以及生活方式。据悉,首批YOYO新能源汽车将于今年12月底交付,在欧洲的预订已经超过34000台。此外,XEV在香港、上海均设有研发中心和商务机构,旨在于2025年成长为中国年出口量最大的新能源汽车企业。在北京摇到号的小伙伴会不会购买这台仅重550公斤的3D打印汽车呢?

END

使用3D打印技术,可以更好地满足车企的需求。在竞争激烈的汽车制造行业,已经有越来越多的制造商采用3D打印技术在大批量生产前低成本的测试产品和制造定制化的配件。虽然现今阶段主流的3D打印技术只停留在样品生产阶段,还不能进入大规模生产环节,但仅在样品试制阶段,就已经为企业节省了不少成本及时间。相信在未来,3D打印势必会给造车行业带来重大突破,类似YOYO这样的量产型3D打印新能源车将越来越普遍的出现在购车清单之中。

注:本文内容由百姓评车原创,3D打印技术参考再编辑,转载已获授权。
声明:本文是3D打印资源库转载文章,原文:3D打印技术参考 。内容为作者独立观点,不代表3D打印资源库立场,转载请联系原作者。如对文章有异议或投诉,请联系kefu@3dzyk.cn。
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