【深度解析】3D打印在汽车行业的应用

发表于 2017-8-2 11:26:53 显示全部楼层 0 5244

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在3D打印技术众多的应用领域中,汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一。早在3D打印技术发展的初期,一些欧美发达国家车企就开始将3D打印技术应用于汽车研发过程。其中,应用最早、最深入、范围最广的车企是福特汽车公司。

早在1988年,福特汽车公司就购入全球3D打印史上第三台3D打印机。目前,福特已利用ExOne公司的3D打印技术为自己汽车的引擎打印模具和样品。福特也与Carbon 3D公司合作,利用CLIP(连续液态界面制造)技术量产制造出用于福克斯电动车型的橡胶垫圈和用于Transit Connect车型的阻尼缓冲器。

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福特3D打印原型中心员工正在清理3D打印的模具原型


除福特外,其他汽车公司巨头如BMW、GM、大众、丰田、Tesla、法拉利、兰博基尼、保时捷等也都有应用3D打印技术在自己汽车的研发制造中。目前3D打印技术主要应用在打印产品原型,使用的材料多为高分子材料。未来,随着金属打印技术的发展,越来越多的汽车厂商将使用金属材料直接打印最终产品或零件,向具有与更高价值的应用转变。

3D打印汽车史

3D打印在汽车领域最开始的应用主要集中在研发阶段的造型评审和设计验证。随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印技术认知度提高以及汽车行业自身发展需求,3D打印技术在汽车行业的应用向功能性原型和功能零部件扩展。

2013年,世界第一辆3D打印汽车——Urbee2诞生;2014年世界第一辆3D打印电动汽车——Strati问世;2015年,全球首款3D打印超级跑车“Blade”、3D打印概念赛车、3D打印太阳能汽车概念设计等陆续登上汽车舞台。尽管这些3D打印汽车,只是大部分零件由3D打印技术制成,并不是完全意义的3D打印汽车,但是它们的登场让我们看到了3D打印技术正在以前所未来的速度给汽车行业带来革命性的变化。

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3D打印汽车案例(图片来源:华融证券)


1、世界第一辆3D打印汽车—Urbee 2

2013年3月,世界首辆3D打印汽车原型Urbee问世,它是世界第一辆纯3D打印混合动力车,并且它是以电池和汽油作为动力燃料的三轮、双座混合动力车。

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2、世界第一辆3D打印电动汽车“Strati”

2014年,在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会(International Manufacturing Technology Show,IMTS)上,Local Motors汽车公司展出了世界第一辆采用3D打印技术打造的电动汽车“Strati”。

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3、 全球首款3D打印超级跑车“Blade”

2015年7月,美国Divergent Microfactories公司推出全球首款3D打印超级跑车“Blade”。

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4、3D打印概念车

2015年7月,鹿特丹举行的壳牌环保马拉松赛(欧洲站)上,一辆来自波兰的Iron Warriors团队使用Zortrax M200 3D打印机打印的概念车凭借1L油跑640km的成绩一举夺冠。

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5、3D打印太阳能超跑“Immortus”概念设计

2015年8月,澳大利亚初创公司EVX Ventures发布了一款名为“Immortus”的3D打印太阳能超跑概念设计。

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纵观3D打印技术在汽车行业近30年的应用史,目前还主要集中于研发环节的概念模型和功能性原型的制造,功能零部件的直接生产应用相对较少,而其终极应用——3D打印汽车在近几年虽有个例,但仍处于概念阶段,到实际推向市场尚有时日。


3D打印在汽车行业的应用贯穿整个生命周期

汽车整个生命周期包括研发、生产和使用三个环节,3D打印在每一个环节当中均有应用。3D打印在研发环节应用较多,主要应用于试验模型和功能性原型,作为设计验证和评估的手段。

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3D打印在汽车车身上的应用(图片来源:南极熊)


1、研发环节:集中于试验模型、功能性原型制造

汽车研发环节一般包括五个阶段:方案策划、概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动。3D打印技术因其独有的优势,在研发环节的应用较多,在概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动均有应用,体现为3D打印试验模型、功能性原型等形式。

概念设计阶段:主要为造型设计,一般先针对不同设计方案制作模型,然后进行风动测试,修改,确定最终方案。在该阶段的模型制造可采用3D打印技术,节省开发时间和制造成本。

工程设计阶段:该阶段主要完成整车各总成及零部件的设计,协调各总成以及总成与整车之间的矛盾。其中设计的车身数据检验模型、零部件样件等均可采用3D打印技术。

样车试验阶段:该阶段主要包括性能试验和可靠性试验。其中检验未达要求进行修改的过程可采用3D打印技术。

投产启动:该阶段涉及模具制造以及小批量试产验证可靠性,可应用3D打印技术。

【案例】本田汽车使用3D打印进行汽车附件的开发

2006年,本田集团引入3D打印技术作为试验项目,设计人员开始探索将3D打印技术用于汽车部件和汽车配件的可能性。本田采购了Stratasys公司的Objet Eden5000V型3D打印机,帮助其在各标准车型配置的基础上研发具有地方特色的汽车附件。据悉,每辆车最多可以有300个这样的附件,包括车身内外饰件、镜子、车轮、旋钮等。

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本田公司的3D打印雾灯原型


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雾灯装饰成品


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实际车辆上的雾灯装饰及远光灯装配效果图


在采用3D打印技术之前,本田集团使用数控机床来制作配件原型,必须有操作员在机床刀具巨大的噪音下全程进行监管,从而确保生产安全。外包项目经常由于与代工方沟通效率低下,而不断出现延期,导致产品无法如期上市。而3D打印技术的引进使得这些问题得以解决。设计人员可以在设计时实时检查物体的相关形态并迅速做出设计调整,在确保原型产品设计质量的同时,大大缩短了产品设计和原型开发所需的时间,提高研发效率。

2、 生产环节:集中于定制化/小批量/对成本不敏感的高端跑车、赛车

与研发环节相比,生产环节对零部件机械性能、光洁度等要求更为严格,因此对3D打印技术水平的要求高,对应的成本也高。3D打印技术在该环节的应用主要集中于定制化、小批量、对成本相对不敏感的高端跑车、赛车上。我们认为随着3D打印技术日趋成熟,在打印性能、成本方面有望达到汽车直接生产应用的要求,3D打印在该环节的市场空间广阔。

【案例】 兰博基尼使用3D打印制造最终零部件

在众多超豪华跑车制造商中,兰博基尼是使用3D打印技术较早且深入的一家。公司2007年就购入一台Stratasys Dimension 1200es 3D打印机应用于产品的开发环节。2010年,公司又相继购入Stratasys的Fortus 360mc和Fortus 400mc制造系统,用于构建更大尺寸的零部件。

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Stratasys Fortus 400mc使用ULTEM 9085材料制造的兰博基尼发动机管道


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Stratasys Fortus 400mc使用ULTEM 9085材料制造的支撑门板


3D打印技术不仅为兰博基尼的设计团队提供了无限自由的设计空间,也为制造团队快速制造出高品质的零部件提供了帮助。在零部件制造前,兰博基尼的团队会使用Stratasys公司的设备设计模型和原型,用以调整、测试和验证零件和设计的开发、选择生产材料。除了在研发阶段应用3D打印技术外,兰博基尼还应用其直接生产部分零部件,包括保险杠节、方向盘、内外饰件、通气栅、车门面板、座套、空气加热器等,多为外观件。

3、 使用环节:高端车/进口车售后维修

汽车使用环节面对的是整个汽车后市场,包括汽车金融、二手车、汽车售后服务(售后维修)、改装车等细分市场。其中,3D打印技术可应用于售后维修、改装车领域。高端车、进口车传统方式维修,周期长,相对成本高。3D打印技术按需直接打印的特点可以弥补这一缺点,同时成本较传统方式低。因此,高端车、进口车的售后维修是目前3D打印在汽车使用环节一个主要的应用点。此外,3D打印适用于个性化、小批量生产,使其在改装车方面与传统方式相比占据一定优势。

目前3D打印在这一环节的应用相对较少,市场小,主要有以下原因:
  • 3D打印机和原材料成本还是比较高;
  • 打印出来的部件质量缺少检测标准;
  • 汽车零部件知识产权保护;
  • 维修、改装相关从业人员对3D打印技术的认知不足。

【案例】 维修:3D打印“修复”保时捷Carrera气缸盖

Carrera系列是当今保时捷车系当中历史最悠久的车型,也是一直延续后置发动机的车型。自从第一辆911问世以来,Carrera已经历了40多年的历史。Carrera系列很多车型已经停产,很多零部件已不再提供。因此,对于拥有这样一款停产车型的客户来说,如果某部件坏了,只能重新定制。在这种情况下,3D打印技术相对来说是最适合的方法。

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保时捷356 Carrera


在其气缸盖损坏需要更换时,使用3D打印生产的步骤是:1.对原损坏的气缸盖进行测量、扫描,完成几何重建;2.3D打印型芯;3.气缸盖成型并后处理,得到最终零件。

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几何重建→3D打印型芯→成型


小结
3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期,包括研发、生产以及使用环节。但是3D打印技术发展尚不成熟,人们要对其有清晰的认识。3D打印在汽车行业主要面临四个方面的问题。

一是设计工具需进一步优化。3D打印要求开发和广泛运用计算机辅助设计(CAD)工具。对于功能部件制造,需要新的工具来优化形状和材料性能,以最大化地减少材料使用和重量。对于非专业人员,需要开发出易于操作的设计工具,来进行产品设计。

二是可用材料需持续拓宽。目前的可用原料还不多,正逐步从树脂、塑料扩展到陶瓷、金属,乃至最新的金、银以及强度极高的钛和不锈钢等材料。未来,仍然需要开发更多的材料,并深入研究材料的加工-结构-属性之间关系,明确材料的优点和局限性,为材料提供规范性标准。  

三是生产过程需要加强工艺控制。为提高连贯性、重复性和统一性,需要建立装备认证标准,并对生产过程进行内部监控和闭环反馈,如通过传感器提供无损性评估与早期缺陷检测,通过流程控制减少设备故障。为更好了解、预测材料性能和零部件功能特性,需要建立预测性模型,使设计师、工程师和用户能够估计零部件的功能特性,并通过调整设计达到预期效果。

四是产业发展需要加强必要的监管。如利用3D打印,犯罪分子能够下载抢支设计软件,私下制作抢支,而且抢支很容易隐藏,可以躲过金属探测器。又如,3D打印的汽车方向盘如果在交通事故中失效,将很难确定事故中的责任方,失效可能是由于设计不足、制造不当、材料甚至是安装所引起的。
来源:小熊
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