闯入汽车界的3D打印技术会何去何从

文章简介:闯入汽车界的3D打印技术会何去何从,众所周知,3D打印技术是一项具有颠覆性的时代新技术,若加以合理利用,将有多样化的应用场景,对各行各业的发展产生重要的甚至颠覆性的影响,汽车也不例外。 文章转载自车云,作者王珺、冷茜,由亿欧编辑,供行业人士参考。 工业4.0改变的是制造体系,从数字。以下是小编收集整理闯入汽车界的3D打印技术会何去何从相关信息。

  众所周知,3D打印技术是一项具有颠覆性的时代新技术,若加以合理利用,将有多样化的应用场景,对各行各业的发展产生重要的甚至颠覆性的影响,汽车也不例外。
  文章转载自车云,作者王珺、冷茜,由亿欧编辑,供行业人士参考。
  工业4.0改变的是制造体系,从数字化到智能化、从群体到个体、从制造为先到用户需求为先,而3D打印在工业上的广泛应用,改变的是制造方式。
  3D打印技术 是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术,其最突出的优点是无需机械加工或模具,3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。
  在现代工业条件下,加工零件或者模型,都需要先制造一个模具。不过,制造模具的成本很高,如果不是大批量生产,并不值得开模。也可以采用另外一种加工方式,使用数控机床直接在毛坯料上加工,但是这个方法会浪费掉很多毛坯材料,不仅慢而且贵,加工费用以小时计算。
  3D打印通过逐层打印的方式来构建物体,最终的成品是一层层积累起来的。无论造型多复杂的零件,对于3D打印来说,也是一层层平面,打印难度没有任何区别。因此,对3D打印机来说,造型复杂的物体和最简单的立方体、圆柱体是一样的,材料会更节省。能够方便快捷并精确地制造构型复杂的物体,这正是3D打印技术的最大优势。
  而 汽车 恰恰是由许多造型复杂的高精度零件组成,可以将3D打印的优势发挥得淋漓尽致。使用3D打印技术,工程师在电脑上完成模型设计,设计人员只需几分钟就能获得实体的打印模型,然后整个研发团队的每个专业人员都可以在打印模型基础上进行修改,并与团队中其他人即时分享对设计方案的改进,实现“所见即所得”,大幅度提高汽车设计的效率。
  而且,3D打印可以快速制作出一系列具有细微差异的可测试零件来帮助开发出最合适的零件,以确保最后定型生产的是选用了最好的零部件。而由此带来的好处,是提高了整个开发效率,缩短了上市周期,并降低了时间和成本。
  综合来看,3D打印技术可以大幅度降低汽车开发和制造过程中的成本,提升工作效率,降低新车型新零件的开发时间,最终这些都会反应到汽车的价格和品质上。
  3D打印在汽车工业的应用
  在2013年,第一辆3D打印汽车问世。美国设计公司KOR Ecologic、数字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作完成了混合动力汽车Urbee 2。这辆车并不是一辆简单的摆设模型,而是可以上路的真正意义上的汽车。彼时,福特也在每个工作站配置了3D打印机,并规划未来给每个工程师单独配备一台小型的3D打印机。
  2014年,柯尼塞格发布的新车One 1上使用了很多3D打印制造的零部件,包括风道、排气部件和涡轮增压器等。2014年9月,美国洛克汽车(Local Motors)在芝加哥国际制造业技术展上,展出了一辆3D打印的双门双座敞篷小车Strati。整个制作工序在现场完成,共计耗时44小时。
  随后,3D打印被更多汽车制造商与研究机构用于汽车制造,也有汽车发烧友们在此启发下自行通过3D打印技术打造自己专属的汽车或汽车部件。加州一名工程师就利用3D打印制造了丰田发动机与变速箱。
  到了2016年,在底特律车展上,起亚展出了使用3D打印技术制造的Telluride概念汽车,也展现出了3D打印对于汽车行业的一个重要价值——推出概念车。自2016年开始,3D打印技术真正开始被汽车制造商和供应商使用在实际的汽车生产过程中。
  1.标致雪铁龙
  标致雪铁龙集团(以下简称PSA)在2016年9月与洛杉矶的3D打印公司Divergent签署战略合作协议书,达成在金属材料打印等方面的合作意向。
  战略合作内容包括为标致雪铁龙的车辆生产线研发3D打印的金属覆盖件,以实现整车结构轻量化,降低其生产成本。PSA表示,此次合作将有效降低标致雪铁龙的整车与零部件生产成本。
  “应用3D打印技术能够大幅缩减生产工厂的规模,减轻整车重量并降低生产的复杂程度,同时也能给我们的产品设计增添无限的灵活空间。”标致雪铁龙集团CEO唐唯实 (Carlos Tavares)在一项声明中表示,但却并未提及这项合作对其生产岗位数量的影响。
  Divergent公司称其已经研究出一套与3D打印技术配套的软硬件平台,通过该平台可以大幅优化整车设计过程,并能够轻松打印出复杂的汽车部件。
  PSA在唐唯实执掌期间,已经在大幅削减生产成本,同时将车辆研发外包给专业的第三方公司,如研发中心坐落于摩洛哥的亚创工程(Altran)。
  PSA表示,合作初期将在Divergent公司位于法国巴黎附近的Velizy研发中心进行试制,下一步将尝试汽车零部件的3D打印与装配,最终目标是利用该技术打印出“完整的车体结构”。
  2.戴姆勒
  2016年7月,戴姆勒表示将从9月份开始使用3D打印技术来为梅赛德斯-奔驰旗下的卡车生产塑料配件。
  与福特一样,戴姆勒也是首批研究3D打印技术的汽车制造商之一。早在2012年,戴姆勒就希望3D打印机能够取代一些昂贵的制造技术,并购入一台大尺寸的金属3D打印机。
  奔驰卡车的配件是在德国生产,然后运往世界各地。塑料配件在应用3D打印技术之后,则可以实现零部件的本地化生产。据了解,戴姆勒的主要目标是利用3D打印来生产弹簧毛、电缆导管、夹子、支撑元件与控制元件等。
  3.本田
  根据日经社报道,2016年10月,本田公开展示了一辆由3D打印机制造的小型纯电动车MC-β。这辆车从外观设计到制造只花了两个月时间。
  3D打印的MC-β与此前概念车有所不同,从双座变为单座,另外一个座位改成了行李舱。据本田介绍,之所以考虑3D打印的方式进行设计生产,是因为他们发现人们对小型EV要求较多,单一的规格无法满足用户多样化的需求,按照现在的生产方式很难支持多品种小批量生产。
  这辆车没有采用在汽车开发设计中占主流的“单体车身”——将车身与骨架设计为一体,而是将车身与骨架分开设计,仅靠骨架部分实现足够的碰撞安全性能。车身外装与碰撞安全性能无关,因此可以使用3D打印机自由地设计车身外型。
  4.宝马
  2017年初,BMW i Ventures宣布投资3D打印技术公司Desktop Metal。Desktop Metal位于美国马萨诸塞州,其首款产品将很快在市场上投放。这不是宝马第一次在3D打印领域进行投资,此前还投资了一家采用光化学工艺打印塑料部件的Carbon3D。
  宝马也计划在制造工艺中使用3D打印的技术,并且不仅限于原型车,也会使用到量产车上。通过3D打印技术,该企业计划为用户提供定制化服务。
  5.洛克汽车
  洛克汽车一直是3D打印技术的重要支持者。在2016年,洛克汽车与贸泽电子公司(Mouser Electronics)发起了一项名为Essenceof Autonomy Challenge的设计大赛。参赛者可以在洛克的3D打印汽车基础上发挥想象,进行重新设计,并被要求赋予其电子功能,符合自动驾驶的需求。
  设计的原型车是Strati,最终一款名为Fly-Mode(飞行模式)的设计作品赢得了比赛。Fly-Mode在驾驶舱中融入了飞机的元素,并结合无人机技术来实现自动驾驶。无人机将会受命飞出探查交通状况,并将数据传回到汽车上,汽车根据传回的数据来进行行驶决策。无人机探测的画面也可以实时在汽车屏幕上显示。
  可实现定制化生产,但谈颠覆还为时尚早
  采用3D打印技术可以降低小批量零部件的生产成本,汽车制造商可以尝试各种各样复杂的设计,快速生产并测试原型车零部件。
  未来伴随着材料技术的进步和成熟,3D打印制造的产品也将有可能直接满足整车的强度需求,进而加强和提升3D打印技术在整车上的使用。3D打印带来的技术革新,将会降低制造业的进入门槛,让没有工厂与生产设备的个人也可以参与到制造业中来,正如前面提到的汽车发烧友所做的一样。而制造业门槛的降低,则意味着商业模式将会产生巨大变化。
  未来3D打印技术在汽车行业的应用前景会非常广泛,并且会涵盖批量生产以外的所有领域,例如个性化车型的定制、改装等。当然,最主要的应用价值还是在设计和某些制造环节,例如打印“油泥模型”、打印概念车、打印模具、打印定制选装部件等。它所带来的结果,一个是车型设计的多样化、衍生车型的增多,另一个是车型更新速度的加快。而更直观、更给力的,是造型上的个性化。
  日本汽车制造商Copen就曾推出过一款3D打印的汽车外壳,可以接受各种创意定制,打印出不同形状、不同图案的外壳。Copen表示大部分汽车零部件能够通过3D打印制造,且可以成功通过相关测试。
  然而无论3D打印如何发展,也不可能应用在整车的批量化生产上。这就好比打印技术永远不可能替代印刷技术一样。
  3D打印能够最大限度发挥自身优势的地方,在于个性化
  在追求实现自我价值的当今社会,人们对个性化的事物更感兴趣,通常会不遗余力地表现自己对事物外在形式的感受,展示自己良好的品味,还会为此付出强大的购买力。人们会按照自我喜好聘请设计师进行房屋装修的个性化设计,也会将自己的办公区域装扮的独具匠心,甚至还可以在网上定制自己的专属休闲装饰品。
  汽车的个性化有所不同。毕竟,很难想象,像房屋的装修设计一样,人们走进一家经销商店,与设计师畅谈自己对汽车的想法,然后请设计师用CAD软件制作效果图,最后用一个巨大的3D打印机将汽车制作出来。
  要知道一辆现代汽车拥有超过两万个互相独立的部件协同工作,经过设计精密而高效的流水线组装而成。这些流水线的每一个步骤功能单一,目的明确,辅之以人工对生产过程的监测与维护。要想通过3D打印技术取而代之,需要付出极大的努力去探索技术,实现生产工艺流程的置换和替代。
  不同种类的车身零部件往往由不同材料制成,有着各自的外形特征和材料属性,由此可以推知使用3D打印实现整车生产工艺程序的复杂程度。更何况还有行车电脑和电气系统、发动机、蓄电池等更加复杂的控制及动力、储能部件。现实情况是,现代汽车装配流水线一次可以组装数百辆汽车,而3D打印技术在可预测的未来尚不具备打印完整汽车的能力。
  再加上,由于缺少必要技术支撑与设计需求,以及安全法规的缺失,大规模实现汽车的完全个性化设计制造在未来数十年内甚至更远的时间内都不具有现实性和可实践性。
  因而3D打印的个性化特征是体现在局部上的,就像前面提到的日本Copen公司提出的产品概念一样。车身外壳本身构造简单,而其他更为复杂的零件,比如车内空调等,预计至少要在数十年后才能实现自动化一体加工制造。
  当然,这样的个性化也面临着一个必须解决的问题:生产规模。以保险杠为例,打印保险杠需要使用大型3D打印机,成本非常高。当然,随着技术的发展,其成本降低的速度将会比预计的要快。但这种导致规模成本降低的生产工艺尚需时日去逐步累积和完善。
  业内关于3D打印的另外一种想法,是做加法。用户可以选定一款标准车体,然后在其上添加各种个性定制的车身部件。而厂商只需要开发一款CAD软件,帮助用户向选定的车体底盘上添加部件,但是出于安全考虑,已选定的标准车体部分不能减少或更改。而且这种软件应该可以进行仿真风洞试验,用于测试定制成品的风阻水平,并自动确保车身部件如发动机盖、车门、油箱盖、车窗等能够正常开合,同时辅助添加雨刮器、后视镜、天窗等部件。
  因为3D打印所用材料普遍轻于传统材料,因此亦有业务人士认为其所带来的轻量化效应将更有意义。不过,这种轻量化也将带来新的安全隐患,车企需要考虑的是开放给用户的自由度,如果开放自由度过高,那么车辆的安全性能将无法保障。
  材料创新,是3D打印技术为汽车设计和制造领域带来的另一个改变。在对材料技术高度依赖的航天工业领域,这一改变已经开始。航天工业对产品每个组成单元的体积和重量都要精细设计,所以利用3D打印技术进行设计与制造已经开始了小批量规模化应用。反观汽车领域,相对于每年产出的汽车数量,航天领域每年制造的飞行器数量要少很多,3D打印新技术在汽车领域的利用率总体而言可谓微乎其微。未来铝合金在汽车材质中将占有越来越高的比重,尽管目前受限于制造工艺与成本问题,应用规模还较小。随着3D打印技术推动的材料工程科技突破和创新,包括铝、碳纤维等在内的新型材料将在车辆轻量化发展趋势中起到举足轻重的作用。
  有人认为厂商控制下的规模成品供应服务限制了3D打印个性定制的创造性和广阔的市场机遇,但按照多数设计行业人士的观点,一般消费者很难真正搞清楚自己的需求是什么,更不要提他们中的大部分人有否能力为自己设计出达到功能要求并符合安全标准的定制产品是一件十分存疑的问题。“设计工作还是要让专业设计师去完成”是业界普遍认同的底线。对于消费者来说,最关心的,是自己的功能选择是否能够被实现,而并非技术细节。
  3D打印还将影响的领域是汽车维修,随着3D打印的普及,维修成本可能会得到降低。试想一下人们到经销商处更换爱车车灯,发现原来整个车身都可以现场3D打印,从而不再需要仓库来存放配件,自然降低了零配件的采购、储运和供应成本。零配件提供商也可以按照需求来生产产品,从而大幅降低可能需求配件的种类和数量。而传统汽车制造商也会慢慢意识到3D打印技术的好处,逐渐用3D打印材料替代昂贵和珍惜的金属材料,推动汽车制造材料应用上的更新换代和突破创新。

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