新能源汽車的生態(tài)系統(tǒng)是開(kāi)放的，是變化和動(dòng)態(tài)的。傳統(tǒng)汽車從設(shè)計(jì)定型到新車出廠通常需要三年時(shí)間，在此期間針對(duì)這些零件生產(chǎn)的工藝與供應(yīng)鏈都進(jìn)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(gè)月都會(huì)更新。數(shù)字化的基因可以說(shuō)根植在新造車勢(shì)力的血液中。

      3D打印帶來(lái)的數(shù)字化，讓人類第一次能夠產(chǎn)生真正的經(jīng)濟(jì)凈收益門檻：通過(guò)將客戶行為與生產(chǎn)者行為同步，以需求為導(dǎo)向，從生產(chǎn)過(guò)剩轉(zhuǎn)向需求驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)個(gè)性化，還可以實(shí)現(xiàn)功能化導(dǎo)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”。

論文發(fā)表在《金屬加工（熱加工）》
2022年第7期

 當(dāng)前技術(shù)發(fā)展情況

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，ACAM亞琛增材制造中心（以下簡(jiǎn)稱ACAM亞琛中心）對(duì)增材制造在多功能材料方面的愿景為無(wú)限組合的材料與技術(shù)，而最終的目標(biāo)是點(diǎn)擊即生產(chǎn)。ACAM亞琛中心定義達(dá)到這個(gè)愿景的進(jìn)階過(guò)程包括5個(gè)梯度，Level 0為功能化增材制造過(guò)程；Level 1為可預(yù)測(cè)的增材制造過(guò)程；Level 2為自動(dòng)化的增材制造過(guò)程；Level 3為全自動(dòng)化的增材制造（包括前處理與后處理）；Level 4為集成化的全自動(dòng)化不同制造工藝的組合[1]。當(dāng)前，世界范圍內(nèi)增材制造的發(fā)展大多還處在Level 0的水平。

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”。因此，3D打印在汽車制造方面的發(fā)展現(xiàn)狀與未來(lái)趨勢(shì)需要結(jié)合3D打印技術(shù)的特點(diǎn)來(lái)理解。

根據(jù)ACAM亞琛增材制造中心，一方面，3D打印改變了制造邏輯。通常對(duì)于同一個(gè)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，通過(guò)傳統(tǒng)制造技術(shù)生產(chǎn)的數(shù)量越多，產(chǎn)品的單件成本也隨之呈下降趨勢(shì)；而對(duì)于增材制造來(lái)說(shuō)，單件成本與產(chǎn)量的相關(guān)性是獨(dú)立的，這是在考慮可擴(kuò)展性時(shí)需要考慮的因素。另一方面，關(guān)于產(chǎn)品的復(fù)雜性。通常在通過(guò)傳統(tǒng)制造技術(shù)來(lái)生產(chǎn)零件時(shí)，產(chǎn)品越復(fù)雜，成本越高，企業(yè)則需要很昂貴的投資（包括新的模具，甚至是新的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)）；而對(duì)于增材制造來(lái)說(shuō)，零件的復(fù)雜性與成本的相關(guān)性也是獨(dú)立的，零件幾何形狀的復(fù)雜性通常并不會(huì)帶來(lái)額外的制造成本。

對(duì)于汽車來(lái)說(shuō)，雖然汽車生產(chǎn)向更小批次的趨勢(shì)發(fā)展，但當(dāng)前3D打印技術(shù)與汽車的結(jié)合點(diǎn)并非是3D打印技術(shù)的成本與產(chǎn)量的相關(guān)性是獨(dú)立的這方面因素，而是3D打印技術(shù)成就更復(fù)雜的產(chǎn)品。

© 3D科學(xué)谷白皮書

在金屬3D打印領(lǐng)域降低零件成本方面，以粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)為代表的間接金屬3D打印技術(shù)，以高速、低成本獲得了業(yè)界的高度關(guān)注。大眾采用的惠普金屬3D打印技術(shù)正是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)。

粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，從生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)性的角度充分滿足了汽車面向量產(chǎn)的應(yīng)用要求。而可打印材料的豐富多樣（從金屬到陶瓷，金屬與金屬的復(fù)合材料，陶瓷與金屬的復(fù)合材料等)，使得粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)的適用場(chǎng)景得到了進(jìn)一步的延伸[2]。

除了汽車上用的鋁合金和銅合金，目前適合粘結(jié)劑金屬3D打印技術(shù)的鋼材料包括：17-4PH不銹鋼、304L不銹鋼、316L不銹鋼、M2工具鋼、H13工具鋼，還包括4140不銹鋼、420不銹鋼、4340不銹鋼、4605不銹鋼等正在開(kāi)發(fā)的材料[3]。

此外，塑料3D打印及碳纖維復(fù)合材料3D打印發(fā)展迅速，豐富了汽車3D打印的技術(shù)選擇。

 車企應(yīng)用案例

汽車行業(yè)需要利用3D打印技術(shù)的具體優(yōu)勢(shì)來(lái)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，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(jì)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(gè)，要增加到汽車行業(yè)普遍所需要的高達(dá)100萬(wàn)的產(chǎn)量，3D打印必須要突破經(jīng)濟(jì)性的障礙。

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

l 大眾

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(jì)劃，首先是進(jìn)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(biāo)是每年制造5～10萬(wàn)個(gè)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(shì)而在不斷增長(zhǎng)的電動(dòng)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(dú)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(gè)金屬零件（見(jiàn)圖1）。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[4]。

圖1 HP Metal Jet 技術(shù)生產(chǎn)的汽車零部件

金屬粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)將推動(dòng)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(shì)，大眾正在擴(kuò)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(guò)西門子的自動(dòng)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(lái)開(kāi)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(jìn)行認(rèn)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。

l 福特

福特在2021年宣布，計(jì)劃在規(guī)模化汽車制造中采用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(guò)當(dāng)時(shí)僅涉及較低的產(chǎn)量。但福特現(xiàn)在的技術(shù)遠(yuǎn)不止于小批量的3D打印生產(chǎn)應(yīng)用，其正在開(kāi)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(yīng)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(guò)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)來(lái)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(shí)間。

針對(duì)3D打印下一代電動(dòng)機(jī)，福特還與蒂森克虜伯、亞琛工業(yè)大學(xué)組成聯(lián)盟開(kāi)始了一項(xiàng)研究，以開(kāi)發(fā)下一代電動(dòng)汽車靈活、可持續(xù)的生產(chǎn)工藝。目前，開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目名稱是HaPiPro2，指的是發(fā)夾技術(shù)。發(fā)夾繞組是電動(dòng)機(jī)領(lǐng)域中的一項(xiàng)新技術(shù)，矩形銅棒代替了纏繞的銅線。該過(guò)程比傳統(tǒng)的繞線電動(dòng)機(jī)更易于自動(dòng)化，并且在汽車領(lǐng)域特別受歡迎，因?yàn)樗�可以大大縮短制造時(shí)間。

電動(dòng)汽車的電動(dòng)機(jī)定子繞組的開(kāi)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(dǎo)體、繞組工藝與槽口幾何形狀必須匹配；彼此纏繞的導(dǎo)體形成牢固的圖案；此外，圓形導(dǎo)線（經(jīng)典的導(dǎo)體形狀）在幾何形狀上與梯形凹槽的配合不佳，結(jié)果每個(gè)凹槽都被銅填充了一半，從而形成了空隙。相對(duì)較小的導(dǎo)體橫截面可確保較大的電熱損耗。

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

讓銅的填充率更高，3D打印在這方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，市場(chǎng)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(yīng)用技術(shù)。

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

l 寶馬

寶馬于2019年3月在慕尼黑舉行了IDAM聯(lián)合項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)議，旨在為增材制造業(yè)進(jìn)入汽車系列生產(chǎn)鋪平道路。IDAM的目標(biāo)是推動(dòng)“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(biāo)是建立兩條試驗(yàn)線，一條在GKN的波恩工廠，另一條在寶馬集團(tuán)的慕尼黑工廠。IDAM團(tuán)隊(duì)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(gè)別備品備件。目標(biāo)是每年采用3D打印技術(shù)制造至少50000個(gè)批量生產(chǎn)的零部件和10000多個(gè)備品備件。IDAM生產(chǎn)線包含一個(gè)開(kāi)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)）[5]。

2020年，寶馬投資1500萬(wàn)歐元（超1億元人民幣）的慕尼黑3D打印工廠正式啟動(dòng)，這奠定了寶馬集團(tuán)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(guó)IDAM計(jì)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(dòng)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(jì)到零部件3D打印制造再到后處理的整個(gè)過(guò)程。由于生產(chǎn)線的模塊化結(jié)構(gòu)，必要時(shí)可以升級(jí)換代，所以各個(gè)模塊可以適應(yīng)不同的生產(chǎn)要求，還可以靈活地控制工藝步驟。通過(guò)綜合考慮融入汽車生產(chǎn)線的要求，項(xiàng)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(shí)，3D打印金屬零部件的單位成本減半。

以上案例說(shuō)明，目前很多新設(shè)計(jì)盡管還沒(méi)有進(jìn)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(zhǔn)備，并進(jìn)行備品備件及原型的創(chuàng)新，從創(chuàng)新思維的設(shè)計(jì)入手，那么這些企業(yè)將被其他企業(yè)超越，并會(huì)很快發(fā)現(xiàn)自己已經(jīng)處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)。

(責(zé)任編輯：admin)

• MGA醫(yī)療聯(lián)盟：以系統(tǒng)化思
• 國(guó)家統(tǒng)計(jì)局：中國(guó)3D打印設(shè)
• ICC將制定混凝土3D打印墻
• 三項(xiàng)增材制造金屬粉末國(guó)家
• 工信部等新規(guī)：工業(yè)級(jí)3D打
• 2027年產(chǎn)值突破1500億元（

• ·MGA醫(yī)療聯(lián)盟：以系統(tǒng)化思維破除3D打印
• ·一言九鼎隱玄機(jī)，弄假成真三八贏是什么
• ·今期四六合數(shù)開(kāi)，四六喜逢財(cái)神到是什么
• ·野外釣的，搞個(gè)魚湯是什么生肖，成語(yǔ)釋
• ·不動(dòng)聲色是什么生肖，成語(yǔ)釋義解釋落實(shí)
• ·慌里慌張是什么生肖，成語(yǔ)釋義解釋落實(shí)
• ·錯(cuò)配資源，明珠暗投，明知無(wú)果應(yīng)收手是
• ·摩登太公，無(wú)餌無(wú)鉤，旱田垂釣何所求是