批量生產(chǎn)的增材制造零件在汽車工業(yè)中已有出現(xiàn)，比如寶馬i8Roadster跑車中的車頂鋁制支架，這是3D打印金屬零件應(yīng)用于量產(chǎn)汽車的首個案例。為了提高傳統(tǒng)燃油汽車的燃油效率和電動汽車的續(xù)航能力，汽車零部件的輕量化趨勢已經(jīng)非常明顯了，用3D打印技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的制造工藝，把零件結(jié)構(gòu)做進一步優(yōu)化，這是目前受到制造商青睞的輕量化設(shè)計理念。
布加迪Chiron跑車中的3D打印鈦合金制動鉗。布加迪原來是一家法國公司，如今是德國大眾汽車集團旗下的豪華汽車品牌。圖片中的制動鉗原先是用鋁合金鍛造而成的。Ti6AI4V3D打印版本的零件較之前的版本重量減輕了約40%，而且相當堅固。在該零件上施加125kg/mm2的力，材料也不會出現(xiàn)裂紋。當Chiron跑車以每小時400公里的最高速度行駛時，制動系統(tǒng)會在9秒鐘內(nèi)讓車輛停下來。該零件重量為2.9kg，使用SLMSolutions公司出品的四激光頭500型打印機生產(chǎn)，耗時約為45小時。（圖片來源：布加迪公司）
輕量化趨勢
nTopology公司的首席應(yīng)用工程師JonathanHarris強調(diào)了輕量化設(shè)計對汽車工業(yè)發(fā)展所起的關(guān)鍵作用。“更好的性能、更優(yōu)的燃油經(jīng)濟性、更高的安全性、更低的排放量，以及它們之間的綜合耦合效應(yīng)，正激勵汽車制造商將輕量化設(shè)計推向新的高度。”
nTopology是一家來自紐約的軟件開發(fā)商，該公司推出了一款輕量化設(shè)計軟件工具包，工具包中集成了多種最新的CAD技術(shù)，包括零件合并、保形肋板結(jié)構(gòu)生成、晶格結(jié)構(gòu)生成、拓撲優(yōu)化，設(shè)計人員可以利用這些工具進一步減輕零件重量。通過拓撲優(yōu)化技術(shù)，可以將載荷均勻分布到整個零件上，從而把所需的材料量降至最低。通過這種設(shè)計技術(shù)創(chuàng)建的零件，會呈現(xiàn)出不同尋常的、類似于有機體的結(jié)構(gòu)樣貌。
傳統(tǒng)制造工藝面對復雜形狀零部件的生產(chǎn)制造常常力不從心，這就給3D打印技術(shù)發(fā)揮優(yōu)勢提供了機會。
“增材制造技術(shù)讓設(shè)計工程師在零件結(jié)構(gòu)的把握上，獲得了更大的主動權(quán)和自由度，也就是說只要是能在計算機上創(chuàng)建出結(jié)構(gòu)，都能得到3D打印的實物，設(shè)計師再也不需要考慮零件的鑄造工藝性是不是好，能不能在五軸機床上加工出來了。”Harris說道。
輕量化設(shè)計為供應(yīng)鏈助力
為了達到燃油經(jīng)濟性標準、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標，零件的輕量化設(shè)計往往比重新開發(fā)電機或電池更可行，SLMSolutions公司的首席現(xiàn)場應(yīng)用工程師KyleAdams表示。
Adams指出，經(jīng)過輕量化設(shè)計后，除了整車重量減輕外，單個零件從生產(chǎn)地到組裝地的運輸成本也降低了。
“通過將四個或五個零件合并成一個零件，可以使供應(yīng)鏈更加緊湊，原因在于無需將五個或六個來源不同的零件運送到同一處工廠，再組裝成一個組件，”Adams說道，“這意味著一次運輸?shù)牧慵?shù)量變多了，或者說，如果每次運輸?shù)牧慵?shù)量相同的話，貨車的載重變輕了。”
增材制造的劣勢
盡管優(yōu)勢明顯，但增材制造的金屬零件距離在汽車工業(yè)中的大范圍普及和應(yīng)用，還有很長的路要走。增材制造工藝過程過于耗時并且費用昂貴，并不能適應(yīng)大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的需求。
“3D打印零件的成本取決于其制造速度，”Adams說道，“比如對于豐田公司來說，每年要完成的凱美瑞（Camry）汽車的產(chǎn)量為50,000臺，目前市面上任何3D打印設(shè)備，在面對這一數(shù)字時都無能為力。因此盡管3D打印在輕量化零件的制造方面優(yōu)勢明顯，但是生產(chǎn)效率的瓶頸不打破，它的普及就是一紙空談?！?/p>
另一個受限因素在于零件的尺寸。Adams表示：“車輛上大多數(shù)可以用3D打印出來的零件尺寸都很小，比如安全帶支架，對于這些小尺寸零件，輕量化設(shè)計的優(yōu)勢其實并不明顯?！?/p>
輕量化優(yōu)勢明顯的零件，也就是最適合用3D打印技術(shù)生產(chǎn)的零件，包括車輪、制動器和懸架組件。Adams指出：“由于汽車的驅(qū)動力直接作用于車輪，因此即使只減輕幾克的車輪重量，效果可能比減輕幾磅的車身重量還要好。”
但是，市場上能制造此類大型零件的3D打印設(shè)備往往少之又少，即使找到了合適的設(shè)備，打印所花費時長也讓人望而卻步。相信隨著增材制造技術(shù)的發(fā)展，更大型、功能更強的3D打印設(shè)備會不斷涌現(xiàn)，到時會有越來越多的汽車制造商，選擇以3D打印的方式生產(chǎn)全尺寸金屬零件，并從中獲益。
2010年，寶馬集團首次使用了3D打印技術(shù)來制造塑料和金屬汽車零件。2018年，寶馬集團第一次將3D打印的金屬零件用于量產(chǎn)的i8Roadster跑車中。該零件是一個鋁合金支架，其作用是將車頂篷機構(gòu)連接到車體上，制造工藝為選擇性激光熔化（SLM）。3D打印的零件比之前的設(shè)計重量減輕了44%。批量生產(chǎn)的第二個3D打印零件是下方照片中的窗戶導軌。（圖片來源：寶馬汽車集團）
“采用大型、快速的3D打印設(shè)備，目前零件的制造時間為1~2天，零件的重量可減少30%。相應(yīng)地，它的綜合性能會提高30%，可以說減輕重量就等同于獲得價值。”Adams解釋道。
影響增材制造在汽車工業(yè)中的普及程度的另一個因素是，需要對3D打印零件進行驗證。
圖片中的3D打印的轉(zhuǎn)向節(jié)長約600mm，是在SLM500型金屬3D打印機上制造出來的。它的制造者為德西福格汽車零部件集團，該公司表示與傳統(tǒng)的鍛造零件相比，3D打印的零件重量減輕了40%，制造時間約為55小時。（圖片來源：德西福格汽車零部件集團）
“汽車制造商每天要重復生產(chǎn)成百上千輛汽車和卡車，并且實際生產(chǎn)中的各個可變參數(shù)都與每一輛汽車的安全系數(shù)直接關(guān)聯(lián)的?！北泵繱pee3D公司的密歇根州BentonHarbor區(qū)域副總裁兼總經(jīng)理BruceColter說道。
“通過計算機生成設(shè)計技術(shù)，會激發(fā)出許多新的輕量化的想法，經(jīng)過輕量化優(yōu)化的零件通常只能通過增材制造的方法生產(chǎn)出來，”Colter說道，“但是，這些零件在實際生產(chǎn)中的可重復性常常存疑，并且其在使用階段的安全系數(shù)也很難通過生產(chǎn)參數(shù)來界定?！?/p>
nTopology公司的首席應(yīng)用工程師JonathanHarris隨后表示：“如果您購買了用于制造支架的金屬塊，然后對其進行加工，金屬的剛性和抗壓特性并不會發(fā)生改變。但是，增材制造的工藝方法是在加工金屬件的同時制造支架成品，因此，金屬材料本身的特性就很難在成品出品之前被表征出來?！?br/>
“汽車制造商是無法接受將一個不確定的零件裝到汽車上的，因為一次召回事件會導致數(shù)百萬美元的損失，并且會直接影響消費者對品牌的信任度，這會給公司造成更大的損失，”Harris說道。
增材制造在汽車工業(yè)的未來
汽車技術(shù)的最高水準無疑體現(xiàn)在賽車和限量版概念車上。之后，這些先進的技術(shù)將逐步滲透到大眾消費的汽車市場中。
“金屬增材制造和輕量化設(shè)計，無疑是屬于第一梯隊的汽車技術(shù)，”Adams說道，“高端汽車供應(yīng)商已經(jīng)開始應(yīng)用這些技術(shù)了，誰能預測五到十年之后，這些技術(shù)不會被推廣到每一輛汽車中？”
他補充道，盡管3D打印設(shè)備本身不便宜，但隨著打印的速度越來越快，3D打印零件的成本肯定會越來越低。
“在兩三年內(nèi)，增材制造設(shè)備將會具備大批量生產(chǎn)小型零件的能力，之后在很短的時間內(nèi)，也會具備生產(chǎn)大型零件的能力。無論是轉(zhuǎn)向支架還是提增效閥門，相信那時每輛車上都或多或少會裝有3D打印而成的零件?！盇dams說道。
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