近年來，汽車輕量化已經(jīng)成為未來行業(yè)內(nèi)發(fā)展的趨勢。新能源汽車逐年銷量上升更是加劇了輕量化在汽車領(lǐng)域的跨越式推進。一體化壓鑄、3D打印、半固態(tài)成型等技術(shù)也一次次成為業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點。

新能源汽車的生態(tài)系統(tǒng)是開放的，是變化和動態(tài)的。傳統(tǒng)汽車從設(shè)計定型到新車出廠通常需要三年時間，在此期間針對這些零件生產(chǎn)的工藝與供應鏈都進入到了固化狀態(tài)。而像特斯拉這樣的車企，其軟件幾乎每個月都會更新。數(shù)字化的基因可以說根植在新造車勢力的血液中。

3D打印帶來的數(shù)字化，讓人類第一次能夠產(chǎn)生真正的經(jīng)濟凈收益門檻：通過將客戶行為與生產(chǎn)者行為同步，以需求為導向，從生產(chǎn)過剩轉(zhuǎn)向需求驅(qū)動的生產(chǎn)。

3D打印是一種帶有鮮明數(shù)字化特征的技術(shù)，這意味著增材制造能夠改變產(chǎn)品的生產(chǎn)方式是本質(zhì)性的，不僅可以實現(xiàn)個性化，還可以實現(xiàn)功能化導向的制造，這使得3D打印與新能源汽車具有制造基因方面的“天然契合”。

3D打印具備傳統(tǒng)制造工藝無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢，可在不犧牲結(jié)構(gòu)部件性能的情況下，實現(xiàn)部件的整合設(shè)計并制造，為汽車制造提供新的設(shè)計思路和發(fā)展途徑。可以預估3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應用前景將一片光明。

升華三維作為具備材料開發(fā)、設(shè)備研發(fā)生產(chǎn)、系統(tǒng)軟件開發(fā)到脫脂和燒結(jié)工藝為一體的金屬/陶瓷間接3D打印解決方案供應商。在助力汽車工業(yè)創(chuàng)新發(fā)展方面，升華三維將以增材制造“數(shù)字化、個性化、定制化”的技術(shù)特點，通過PEP技術(shù)工藝幫助汽車生產(chǎn)制造商創(chuàng)造更多效益與價值。

對于汽車市場而言，特別是高級跑車或賽車，性能高于一切，比如輕量化設(shè)計可以減輕車輛重量等，從而增加可用功率，降低能耗，實現(xiàn)對未來汽車至關(guān)重要的減排目標。通過增材制造和拓撲優(yōu)化的結(jié)合，憑借3D打印在定制和輕量化上的優(yōu)勢，其在汽車改裝及生產(chǎn)制造領(lǐng)域的發(fā)展已初現(xiàn)趨勢。金屬3D打印技術(shù)已被運用到定制輪轂，高性能冷凝器和剎車卡鉗，輕量化支架結(jié)構(gòu)件等；亦有很多國際汽車生產(chǎn)商如奔馳、寶馬、奧迪、豐田等已經(jīng)在汽車的研發(fā)階段大量使用3D打印技術(shù)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計，3D打印在汽車行業(yè)的應用，占整個應用行業(yè)的30%以上。特別是在賽車應用中非常廣泛，像NASCAR和一級方程式賽車一直在采用3D打印技術(shù)。

汽車行業(yè)需要利用3D打印技術(shù)的具體優(yōu)勢來提升產(chǎn)品設(shè)計，然而要想將3D打印用于具體的汽車零部件生產(chǎn)，需要突破的一大挑戰(zhàn)是經(jīng)濟性。目前，用于3D打印的汽車零部件大多數(shù)是小批量的十幾個，要增加到汽車行業(yè)普遍所需要的高達100萬的產(chǎn)量，3D打印必須要突破經(jīng)濟性的障礙。

下面將通過介紹3D打印技術(shù)在大眾、福特、寶馬等企業(yè)的最新應用進展，來探究3D打印技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

大眾在2019年就發(fā)布了將在大眾汽車上使用惠普金屬3D打印技術(shù)的計劃，首先是進行大規(guī)模定制和裝飾部件的制造，并盡快將惠普的HP Metal Jet金屬3D打印的結(jié)構(gòu)部件集成到下一代車輛中，并著眼于不斷增加的部件尺寸和技術(shù)要求。

大眾的目標是每年制造5～10萬個足球大小尺寸的零件，這些零件可能包括變速桿和后視鏡支架等。增材制造因其在輕量化方面的優(yōu)勢而在不斷增長的電動汽車生產(chǎn)領(lǐng)域中獲得部署。目前，大眾成立了加州創(chuàng)新與工程中心（IECC），推出了一款集成 3D 打印的獨特概念車，并很快宣布與 GKN 和惠普一起在HP Metal Jet上生產(chǎn)了 10000 個金屬零件（如圖）。正是這一里程碑為大眾與惠普繼續(xù)合作，并為大眾的3D打印結(jié)構(gòu)部件集成到其下一代汽車中鋪平了道路。

金屬粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)將推動大眾制造中3D打印技術(shù)邁向成熟，從而使該技術(shù)具有成本效益。為了利用粘結(jié)劑噴射的優(yōu)勢，大眾正在擴大與惠普的合作伙伴關(guān)系，以布局更多產(chǎn)能，并引入西門子為該技術(shù)提供專門的軟件。

通過西門子的自動化和軟件解決方案，大眾將能夠更快、更靈活、使用更少的資源來開發(fā)和生產(chǎn)零部件。到目前為止，使用粘結(jié)劑噴射制造的第一批汽車零部件已送往大眾的奧斯納布呂克工廠進行認證。該零件用于大眾T-Roc敞篷車的 A 柱，據(jù)相關(guān)資料顯示，其重量是由鋼板制成的傳統(tǒng)部件的一半。

福特在2021年宣布，計劃在規(guī)?；囍圃熘胁捎?/span>3D打印技術(shù)。福特之前在3D打印技術(shù)方面取得了一定程度的成功，不過當時僅涉及較低的產(chǎn)量。但福特現(xiàn)在的技術(shù)遠不止于小批量的3D打印生產(chǎn)應用，其正在開發(fā)的3D打印零部件將用于福特“非常受歡迎的車型”的全面生產(chǎn)。

福特用于粘結(jié)劑噴射金屬3D打印的粉末是Al6061，而成功將鋁應用于汽車零部件3D打印生產(chǎn)的意義是重大的：從傳統(tǒng)制造工藝到3D打印工藝的轉(zhuǎn)變將通過簡化設(shè)計來減輕重量、節(jié)省空間、提高零部件性能，以及節(jié)省成本和時間。

針對3D打印下一代電動機，福特還與蒂森克虜伯、亞琛工業(yè)大學組成聯(lián)盟開始了一項研究，以開發(fā)下一代電動汽車靈活、可持續(xù)的生產(chǎn)工藝。目前，開發(fā)的項目名稱是HaPiPro2，指的是發(fā)夾技術(shù)。發(fā)夾繞組是電動機領(lǐng)域中的一項新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過程比傳統(tǒng)的繞線電動機更易于自動化，并且在汽車領(lǐng)域特別受歡迎，因為它可以大大縮短制造時間。

電動汽車的電動機定子繞組的開發(fā)通常是眾所周知的瓶頸，經(jīng)典的圓線繞組有許多限制：銅導體、繞組工藝與槽口幾何形狀必須匹配；彼此纏繞的導體形成牢固的圖案；此外，圓形導線（經(jīng)典的導體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳，結(jié)果每個凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對較小的導體橫截面可確保較大的電熱損耗。

3D打印幾乎無需模具就可以避免這種開發(fā)障礙。由于傳統(tǒng)的生產(chǎn)涉及復雜的彎曲和焊接過程，所以3D打印帶來的時間節(jié)省，尤其是在所謂的發(fā)夾繞組上得到了回報。

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨特的優(yōu)勢。目前，市場上熟知的L-PBF選區(qū)激光金屬熔化3D打印，以及粘結(jié)劑噴射金屬3D打印，均是最為主要的應用技術(shù)。

通過3D打印電動機銅線圈繞組，改變一百多年來的電動機線圈設(shè)計思路。傳統(tǒng)工藝的銅絲或者銅片，在狹小的電動機定子、轉(zhuǎn)子空間內(nèi)很難展現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計，而3D打印將帶來一定的改變。

寶馬于2019年3月在慕尼黑舉行了IDAM聯(lián)合項目啟動會議，旨在為增材制造業(yè)進入汽車系列生產(chǎn)鋪平道路。IDAM的目標是推動“汽車領(lǐng)域增材制造（AM）技術(shù)的工業(yè)化和數(shù)字化”。IDAM的目標是建立兩條試驗線，一條在GKN的波恩工廠，另一條在寶馬集團的慕尼黑工廠。IDAM團隊促使增材制造技術(shù)向符合特定要求的方向發(fā)展，以生產(chǎn)質(zhì)量一致的零部件以及基于特定組件的個別備品備件。目標是每年采用3D打印技術(shù)制造至少50000個批量生產(chǎn)的零部件和10000多個備品備件。IDAM生產(chǎn)線包含一個開放式體系結(jié)構(gòu)，可適用于任何LPBF系統(tǒng)（選區(qū)激光金屬熔融3D打印技術(shù)）。

2020年，寶馬投資1500萬歐元（超1億元人民幣）的慕尼黑3D打印工廠正式啟動，這奠定了寶馬集團在汽車行業(yè)增材制造技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。

在德國IDAM計劃支持下，寶馬慕尼黑的3D打印工廠還建設(shè)了模塊化和幾乎完全自動化的3D打印生產(chǎn)線。該生產(chǎn)線涵蓋了從數(shù)字化設(shè)計到零部件3D打印制造再到后處理的整個過程。由于生產(chǎn)線的模塊化結(jié)構(gòu)，必要時可以升級換代，所以各個模塊可以適應不同的生產(chǎn)要求，還可以靈活地控制工藝步驟。通過綜合考慮融入汽車生產(chǎn)線的要求，項目合作伙伴將流程鏈中的手工部分從目前的約35%減少為不到5%。與此同時，3D打印金屬零部件的單位成本減半。

以上案例說明，目前很多新設(shè)計盡管還沒有進入產(chǎn)業(yè)化，仍處于初始階段，但如果制造企業(yè)不盡早做出準備，并進行備品備件及原型的創(chuàng)新，從創(chuàng)新思維的設(shè)計入手，那么這些企業(yè)將被其他企業(yè)超越，并會很快發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)處于競爭劣勢。

Extol公司是一家位于密歇根州西部的汽車制造商，致力于推動3D打印在電動汽車行業(yè)的應用是他們公司服務的重要組成部分。談及3D打印在汽車零部件的制造方面，該公司的高級應用和銷售工程師 Andrew Roderick 評論說：“車輛設(shè)計周期變得越來越快、越來越短。就像過去汽車制造商可能需要四年時間來設(shè)計和發(fā)布一輛新車一樣，現(xiàn)在這個周期縮短到兩年左右，這就是電動汽車的發(fā)展模式。”

隨著電動汽車的發(fā)展，對鋁合金零部件的需求也大幅度增加。AlloyEnterprises 公司開發(fā)了一種名為選擇性擴散粘合的工藝，這是一種鋁片層壓形式。鋁合金材料既堅固又輕巧，它的強度重量比是鋼的兩倍，而且無限可回收，非常適合汽車零部件的制造。但就鋁的增材制造而言，并沒有真正的工藝專為鋁材設(shè)計。所以他們開始研究這個問題，他們決定放棄鋁粉打印的模式，并發(fā)明了這種新穎的鋁原料，使用與鋁箔和汽水罐相同的鋁軋制工藝。Alloy Enterprises 公司采用這種原料，進行激光切割，在材料的某些區(qū)域涂抹抑制劑以形成支撐物，將片材堆疊起來，粘合它們，然后去除支撐物取出零件。該工藝可廣泛應用于電動汽車部件制作上，如外殼、電子設(shè)備、帶有冷卻通道的部件和邊緣模塊化部件。

為了更進一步地接觸到汽車客戶，GKN Additive公司在靠近底特律地密歇根州奧本山開設(shè)了一個新工廠，該設(shè)施所做的大部分工作就是增材制造電動汽車零件。GKN 是一家擁有非常悠久的金屬零件生產(chǎn)歷史的公司，主要是沖壓和燒結(jié)以及 MIM、金屬注塑成型，但幾年前，他們收購了位于加利福尼亞的 Forecast 3D，例如，擁有大量HP Multi Jet Fusion 打印機的合同制造商或服務機構(gòu)，所以他們非常了解聚合物增材制造。

增材制造擁有縮短制造周期、一體化定制的制造能力，也許它進入傳統(tǒng)汽車市場確實會受到一定的限制。但是南極熊認為，增材制造在電動汽車領(lǐng)域?qū)_啟無限的可能性。未來，它不僅會改變制造座椅支架和電池的生產(chǎn)方式，也將改變這些車輛制造零件模式，以及制造的車輛類型。

來源：賢集網(wǎng)