談到3D打印在汽車制造中的應(yīng)用，人們對(duì)其固有的印象是這項(xiàng)技術(shù)又貴又慢，發(fā)展至今仍難以滿足汽車零部件批量制造的需求。的確，汽車制造業(yè)對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用目前仍然主要局限在原型快速制造領(lǐng)域。在最終零部件的生產(chǎn)領(lǐng)域，汽車制造用戶往往難以找到3D打印技術(shù)的應(yīng)用結(jié)合點(diǎn)。但是根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，隨著3D打印-增材制造技術(shù)的發(fā)展，國(guó)際上知名汽車制造商和汽車核心零部件制造商，加強(qiáng)了3D打印技術(shù)在制造最終零部件中的應(yīng)用，特別是在制造輕量化、功能集成等極具創(chuàng)新性的復(fù)雜零部件時(shí)，3D打印技術(shù)成為一種有潛力的新興生產(chǎn)技術(shù)。

     “驅(qū)動(dòng)3D打印影響應(yīng)用端的因素是附加值創(chuàng)造”，附加價(jià)值包括：更低的成本，更穩(wěn)定的質(zhì)量，更高的效率，更長(zhǎng)的產(chǎn)品壽命。著名傳動(dòng)系統(tǒng)制造商GKN ，看到了3D打印在汽車零部件附加值創(chuàng)造中的價(jià)值，并將3D打印技術(shù)引入到下一代汽車的開發(fā)中。

創(chuàng)新性復(fù)雜零部件

      GKN 所理解的3D打印價(jià)值有兩個(gè)層次，包括這一技術(shù)在新產(chǎn)品快速研發(fā)中承擔(dān)的重要角色，以及在生產(chǎn)創(chuàng)新性復(fù)雜零部件中的潛力。汽車行業(yè)的一個(gè)趨勢(shì)是更短的產(chǎn)品開發(fā)階段和更高的質(zhì)量，在這種趨勢(shì)下，由于3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)零部件設(shè)計(jì)的快速多次迭代，從而能夠幫助汽車制造業(yè)用戶應(yīng)對(duì)產(chǎn)品開發(fā)周期縮短的要求。

圖片：通過3D打印汽車零件能夠在1個(gè)月內(nèi)完成試制，無需模具成本。來源：GKN

       通常零部件制造商需要充分的時(shí)間來提高質(zhì)量或進(jìn)行多次迭代，特別是在開發(fā)高度創(chuàng)新的零件時(shí)由于需要進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代，因此所需研發(fā)時(shí)間更長(zhǎng)，而金屬3D打印技術(shù)憑借其無需模具的優(yōu)勢(shì)，為這類產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)快速迭代的難題，在短時(shí)間內(nèi)將多次迭代擬合到最終設(shè)計(jì)中。

GKN 探索的3D打印應(yīng)用不局限于原型制造，他們看到3D打印為汽車市場(chǎng)提供了極具吸引力的機(jī)會(huì)，根據(jù)GKN 增材制造技術(shù)客戶經(jīng)理Markus Bürger，3D打印所帶來的機(jī)會(huì)包括：

通過輕量化的定制幾何形狀減少部件重量，減少燃料消耗和二氧化碳排放；

車輛的個(gè)性化制造；

更快的研發(fā)下一代汽車。

     為了創(chuàng)造下一代汽車，GKN正在快速走向新途徑。GKN 針對(duì)粉末床金屬熔化（PBF) 3D打印的特點(diǎn)對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路的創(chuàng)新，如為功能而設(shè)計(jì)、一體化設(shè)計(jì)、自由造型等。這些創(chuàng)新方式促進(jìn)了下一代汽車的研發(fā)。

圖片：金屬3D打印在汽車零部件創(chuàng)新中的應(yīng)用。來源: GKN

        GKN與汽車制造商保時(shí)捷通過金屬3D打印開發(fā)新型電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成的新應(yīng)用。GKN根據(jù)粉末床金屬熔化3D打印技術(shù)的特點(diǎn)，針對(duì)更高的設(shè)計(jì)自由度、更高效、更集成的動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)了特定的鋼材料，這種鋼材料能夠承受高磨損和負(fù)載，并結(jié)合3D打印所實(shí)現(xiàn)的功能集成進(jìn)一步減輕重量。另一方面，保時(shí)捷工程部門正在研究如何在其電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)中實(shí)施新材料。采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)結(jié)合GKN的材料，保時(shí)捷實(shí)現(xiàn)了差速器的獨(dú)特設(shè)計(jì)（包括齒圈），通過這種齒輪減重和剛性形狀的組合，實(shí)現(xiàn)了更高效的傳動(dòng)。

圖片：電子驅(qū)動(dòng)動(dòng)力總成。來源：GKN

著金屬增材制造繼續(xù)發(fā)展并成為主流工藝，該應(yīng)用不僅可以擴(kuò)展到原型或賽車運(yùn)動(dòng)，而且還可以擴(kuò)展到批量生產(chǎn)。

Review

      3D打印目前仍然主要局限在原型制造領(lǐng)域。那么，想改變這一點(diǎn)并將3D打印尤其是粉末床金屬熔融技術(shù)納入到汽車領(lǐng)域的大批量生產(chǎn)，使其成為適合汽車生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)，面臨的挑戰(zhàn)有哪些呢？

在產(chǎn)量之路上，現(xiàn)實(shí)和目標(biāo)之間存在五個(gè)主要障礙 ：

機(jī)器尺寸：由于大多數(shù)粉末床金屬3D打印設(shè)備都有明顯的加工尺寸限制，當(dāng)前普遍限制在400毫米，或者在600毫米（根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究），因此我們可以一次性整體創(chuàng)建的部件只有少數(shù)幾個(gè)。即便對(duì)于小型部件來說，機(jī)器尺寸仍然限制了產(chǎn)能，就拿一次性創(chuàng)造五到十個(gè)零件來說 – 這與一百萬個(gè)零件產(chǎn)能的需求還是存在非常大的挑戰(zhàn)。而這僅僅是小型零件的加工，對(duì)于非常大的鑄件和沖壓件的距離，還有很長(zhǎng)的路要走。

準(zhǔn)確性：粉末床金屬3D打印設(shè)備的成本已經(jīng)很高了，即便如此還需要考慮需要增加后期處理的人力和費(fèi)用，這使得該技術(shù)的價(jià)格太貴了。直到增材制造能夠以最小的后處理需求來創(chuàng)建精確的零件，目前對(duì)于大規(guī)模汽車生產(chǎn)而言，經(jīng)濟(jì)上是否可行是非常關(guān)鍵的考量因素。

材料：大多數(shù)3D打印材料目前主要適用于醫(yī)療和航空航天工業(yè)，而這兩個(gè)領(lǐng)域的產(chǎn)品生命周期特點(diǎn)以及成本結(jié)構(gòu)是可以接納3D打印技術(shù)的，尤其對(duì)于那些昂貴的加工材料來說。

     目前汽車領(lǐng)域可用的合金通常是用于鑄造或鍛造產(chǎn)品的合金，而對(duì)于3D打印來說，合金的開發(fā)則需要考慮增材制造工藝中經(jīng)歷的快速加熱和冷卻速率因素。

效率：目前增材制造對(duì)于汽車生產(chǎn)來說太慢了，考慮到與相互競(jìng)爭(zhēng)的其他制造方法相比，沖壓機(jī)每六秒鐘可生產(chǎn)一個(gè)零件，而粉末床金屬熔融技術(shù)則需要幾個(gè)小時(shí)才能生產(chǎn)一批小零件。

成本：作為高產(chǎn)量和面向消費(fèi)者的行業(yè)，成本是汽車行業(yè)的主要因素。例如，鑄造工藝，雖然增材制造可以將許多零件組合在一起一次完成，但鑄造幾乎可以便宜兩個(gè)數(shù)量級(jí)。增材制造將不得不與過去50年來經(jīng)過不斷優(yōu)化的流程相競(jìng)爭(zhēng)，并提供額外的價(jià)值以取代它們。

     所有這些問題都不能由單一實(shí)體來解決 – 甚至單獨(dú)一個(gè)部門都無法解決。盡管機(jī)器制造商正在努力滿足規(guī)模和生產(chǎn)能力的要求，但作為汽車生產(chǎn)商也必須主動(dòng)探索，目前通用汽車正在關(guān)注材料開發(fā)和工藝。例如，通用汽車正在研究金屬粉末的開發(fā)和處理作為與產(chǎn)能相關(guān)的函數(shù)，利用先進(jìn)的建模技術(shù)可以幫助解決希望克服增材制造目前的障礙。