3D 打印如何改变汽车行业？ (2021)

3D 打印仅作为汽车行业快速原型制作工具的时代已经结束。增材制造 (AM) 的进步意味着，如今，汽车制造商越来越多地将 3D 打印集成到他们的生产线中。

Jabil 于 2018 年进行的调查表明，事实上，94% 的汽车利益相关者正计划扩大其 3D 打印能力。

在本文中，我们将深入探讨 3D 打印为汽车制造商带来的好处，并探讨该技术如何融入当今的汽车生产流程。此外，我们将探讨在最终用途汽车零件中采用 3D 打印的当前挑战，以及 3D 打印在汽车领域的未来前景。

3D 打印对汽车行业的好处

1.设计创新

3D 打印可用于创建复杂、复杂的设计，否则传统制造方法无法实现这些设计。在创建自定义功能部件时，此功能特别有用。

由于减轻重量是汽车原始设备制造商关注的一个关键领域——更轻的车辆通常具有更低的油耗——设计工程师还可以从 3D 打印与拓扑优化和衍生式设计等工具的结合中受益。这些可用于去除指定区域的材料并制造重量和性能优化的零件。

2.简化组装

零件整合是汽车 OEM 可以从 3D 打印中受益的另一种方式。由于传统制造方法缺乏 3D 打印的设计自由度，因此通常必须生产多个组件才能创建最终组件。

通过部件整合，可以在设计阶段将一个部件的多个部件集成到一个部件中。由于其复杂性，整合设计通常只能借助 3D 打印来制作。

通过这种方法，3D 打印可以通过减少组装阶段所需的组件数量来简化组装过程。克服对多个零件的需求有助于减少材料使用和组装时间或成本。

3.定制

随着制造业越来越倾向于大规模定制，汽车原始设备制造商必须越来越多地找到方法来制造满足客户需求的车辆。 3D 打印提供了一种经济高效且灵活的方式来生产定制零件。

在该行业的奢侈品和赛车运动领域，公司已经在使用该技术为车辆的内部和外部部件生产个性化部件。

为客户提供定制选项是汽车制造商旨在改善客户体验和提高竞争优势的一种方式。

采用 3D 打印进行定制的汽车行业的一部分是豪华车。在小批量生产是常态的细分市场中，3D 打印可用于在相对较短的时间内根据特定客户要求定制零件。

Mini 就是一个很好的例子：这家德国-英国汽车制造商转向 3D 打印，使客户能够订购定制零件，例如装饰组件和门把手。

保时捷 3D 打印定制座椅

在另一个例子中，保时捷推出了一种利用 3D 打印进行定制的跑车座椅新概念。

新座椅采用聚氨酯 3D 打印中央座椅和靠背坐垫部分，可通过三个硬度等级进行定制：硬、中和软。

保时捷计划最早在 2020 年 5 月 3D 打印 40 个原型座椅，用于欧洲赛道，并根据客户的反馈来开发 2021 年中期的最终街道合法模型。

接下来，保时捷希望通过根据客户特定的身体轮廓个性化座椅，将座椅定制扩展到坚固性和颜色之外。

印刷有可能改变产品设计阶段，让客户对他们的车辆外观拥有更大的发言权。

用于汽车应用的 3D 打印材料

许多汽车应用需要将韧性和延展性与耐热性和耐化学性相结合的材料。因此，使用高强度聚合物（尼龙、PEEK）、塑料（ABS、ASA）和金属（铝、钢合金、钛）进行 3D 打印是生产功能性汽车部件和工具的最常见选择。

现在，还可以使用碳纤维复合材料进行 3D 打印，这为制造更轻的汽车部件打开了另一扇门。

将 3D 打印集成到汽车生产过程中

产品开发和验证

3D 打印可以在更短的时间内（并且几乎没有额外成本）产生多个设计迭代，是产品开发的有效工具。通常，在最终设计达成一致之前，零件必须经过几个设计周期。

通过 3D 打印，这个阶段可以大大加快。此外，由于该技术不需要昂贵的工具来生产原型，因此可以相对较快地进行具有成本效益的设计改进。

使用 3D 打印进行原型设计、测试和性能验证是目前该技术在汽车行业中最流行的应用之一。

3D 打印带来的低生产成本意味着设计工程师可以先检查组件的配合和功能，然后再投资昂贵且通常是劳动密集型的模具用于最终零件生产。

奥迪 3D 打印设计验证

在新车投入生产之前，位于英戈尔施塔特的奥迪预系列中心为该品牌建立实体模型和原型，以便能够评估新的设计和概念。

聚合物 3D 打印的使用已成为奥迪 Pre-Series 中心汽车设计过程中不可或缺的一部分，使团队能够克服传统工艺的局限性并加速设计验证。

以尾灯罩为例。传统上，这些零件的原型是使用铣削或模压法生产的。这些生产技术的主要挑战是尾灯外壳的多色盖必须单独生产然后组装。这会增加设计验证的提前期，进而延迟上市时间。

使用 Stratasys 的多色 3D 打印技术，该团队能够在一次打印中创建完全透明的多色尾灯罩，无需以前的多步骤过程。

为了生产尾灯罩，奥迪希望借助 3D 打印将原型制作时间缩短多达 50%。

工具

虽然原型制作仍然是 3D 打印在汽车行业的主要应用，但使用该技术制作工具正在迅速流行起来。

大众 Europa 装配厂已经在使用增材制造在内部生产工具设备，而不是从第三方供应商那里采购。

该公司于 2014 年开始将 3D 打印用于模具，用于试点项目。试点的成功说服大众汽车将其大部分工具生产转为 3D 打印。

将该技术用于该应用程序带来了许多优势。

在内部生产模具可将汽车制造商的模具生产成本降低 90%，并将交货时间从几周缩短到几天。举一个例子，据报道，像举升门徽章这样的工具使用传统制造方法需要 35 天的时间来开发，成本高达 400 欧元。通过 3D 打印，同样的工具可以在四天内以 10 欧元的成本生产出来。

2017 年，使用 3D 打印工具为大众汽车节省了近 325,000 欧元，同时提高了人体工程学、生产力和操作员满意度。

在制造辅助工具方面，3D 打印正在迅速发展，作为更成熟的制造工具方式的替代品。几年后，我们可能会看到更多汽车 OEM 转向 3D 打印工具，以提高其生产效率和工具的性能。

备件

汽车制造商可以利用 3D 打印的优势按需制造备件。

由于与存储备件（通常很少订购）零件相关的高库存成本，3D 打印提供了一种经济高效的方法来按时和按需生产所需的零件，从而缩短交货时间、降低库存成本并简化供应链。

戴姆勒巴士正在寻求 3D 打印备件

2020 年初，戴姆勒客车宣布计划开发一种新的商业模式：通过 3D 打印直接在内部为客户生产备件。

目前，戴姆勒客车的 3D 打印能力中心正在详细检查 300,000 多个用于此类打印的客车备件。迄今为止，大约有 200 种被确定为合适的，例如盖子、把手和各种支架。

此类零件改用 3D 打印的关键驱动因素之一是能够加快零件生产和交付。 Daimler Buses 表示，这些过程只需要几天而不是几个月。

Daimler Buses 引用了 3D 打印的另一个好处，包括提高材料效率：该技术产生的浪费大大减少，任何未使用的材料都可以立即用于下一个 3D 打印订单。

成品生产

AM 技术和材料的最新进展使 3D 打印能够生产中小型最终用途零件。根据捷普 2018 年对汽车原始设备制造商的调查，40% 的人认为 3D 打印将有助于生产最终用途的汽车零部件。

最终用途的 3D 打印汽车部件可以从外部部件到内部部件，例如波纹管、复杂的管道、安装支架和发动机部件。

一个例子是福特：去年，该公司宣布开始3D打印生产结构部件。

有问题的零件包括福特福克斯暖通空调（加热、通风和冷却）杠杆臂维修零件、福特 F-150 猛禽辅助插头和福特野马 GT500 电动停车制动器支架。

这些部件采用 Carbon 的数字光合成 (DLS) 3D 打印技术和 EPX（环氧树脂）82 材料生产，并通过了福特的所有性能标准和要求。

赛车运动中的 3D 打印

将增材制造用作赛车开发的竞争优势是当今的标准做法。

在赛车运动中，3D 打印已成为生产用于风洞测试的耐用且精确的零件不可或缺的工具。另一个优势是速度：如果需要更改设计，AM 可以更轻松地生产可在风洞中进行测试的组件，速度要快得多。

许多赛车队也在探索 3D 打印在最终用途汽车部件的生产中的应用。例如，阿尔法罗密欧索伯 F1 车队 3D 打印了一个金属防滚架——这是一种关键的安全结构，可以在发生翻车时保护驾驶员。

值得注意的是，该部件由 Scalmalloy 制成，这是一种专为 AM 开发的轻质金属。通过将这种材料与选择性激光熔化 (SLM) 技术相结合，索伯 F1 可以生产出更轻的滚箍，具有复杂的内部特征以实现结构完整性。它还能够将生产提前期缩短约 25%。

汽车行业的 3D 打印挑战

量产

虽然汽车原始设备制造商越来越多地将增材制造系统纳入开发和生产，但更广泛采用的一项挑战是产量。仅 2019 年就生产了超过 9200 万辆汽车，汽车行业严重依赖批量生产。

在现阶段，3D 打印无法以汽车行业所需的数量和速度生产零件。因此，该技术不应取代传统的制造方法，非常适合大批量生产，而是作为小批量定制生产的补充工具。

也就是说，3D 打印硬件制造商正在开发更大批量的生产方法，以满足汽车行业的要求。其中之一是金属粘合剂喷射，由 HP、Desktop Metal、ExOne 和 GE Additive 等公司开发。

除了金属，粘合剂喷射 3D 打印机还可以使用粉末材料，如塑料、沙子和陶瓷以及粘合剂，使用数字设计文件中的数据逐层快速构建零件。

与使用激光或电子束一次制作一两个零件的 3D 打印机不同，例如，粘合剂喷射机可以一次制作数十个支架，因为打印面积要大得多，而且层数是建立得更快。

然而，金属粘合剂喷射仅处于汽车行业采用的早期阶段。据咨询公司 Ampower GmbH &Co 的管理合伙人马蒂亚斯·施密特-莱尔 (Matthias Schmidt-Lehr) 称，粘合剂喷射技术距离汽车零部件的批量生产还需要 5 到 10 年的时间。

构建尺寸

汽车制造商面临的另一个挑战是许多 AM 系统的构建尺寸有限。尽管可以使用 3D 打印技术生产更大的零件，但这必须以模块化零件的形式完成。反过来，这些目前必须通过其他过程（例如焊接）组装或连接。

然而，大规模增材制造是一个重要且不断增长的研究领域，正在积极研究和开发可支持更大构建尺寸的技术，例如电弧增材制造 (WAAM) 和大面积增材制造 (BAAM)。

AM 技能差距

如果该技术要更广泛地起飞，还必须解决在开发 AM 特定技能方面的额外投资。增材制造的设计，以及增材制造系统、材料和后处理的操作和维护，都是必须开发和培养的重要技能。

虽然关于 AM 的当前技能差距已经说了很多，但与大学和内部培训计划的合作是确保技能人才库的一种方式，能够处理 AM 技术的特殊性。

汽车 3D 打印：前路

随着汽车制造商不断寻找 3D 打印的新应用，有一点很清楚：3D 打印在终端部件生产中的应用越来越受到关注。 3D 打印研究公司 SmarTech Analysis 的最新报告支持这一趋势，指出到 2030 年，将增材制造用于汽车生产的业务将达到 100 亿美元。

在此背景下，汽车行业可能会出现更多 3D 打印功能部件，例如支架、外壳甚至发动机部件。

也许是对更遥远未来的愿景，3D 打印整辆车的前景可能不会那么遥不可及。

美国汽车制造商 Local Motors 已经在测试一种名为 Ollie 的 3D 打印自动电动班车，专为当地低速交通设计。

Ollie 的大部分部件都是 3D 打印的，包括车顶和车身下部。

虽然在道路上看到完全 3D 打印的车辆需要一些时间，但像 Local Motors 的 Ollie 这样的项目可以让我们更接近这一令人兴奋的可能性。