3D打印超靈活汽車框架——可對路面定制車型

2013全球第一臺3D打印汽車Urbee 2的出現(xiàn)，3D打印在汽車制造行業(yè)掀起了一股颶風(fēng)。目前，諸如奧迪、寶馬、大眾、豐田等知名汽車品牌都已經(jīng)開始在設(shè)計制造中用上3D打印了。

3D打印技術(shù)與傳統(tǒng)工藝相結(jié)合正在成為當(dāng)前汽車工業(yè)的主流選擇。德國的汽車開發(fā)商EDAG Engineering就與激光焊接公司Laser Zentrum Nord（LZN）、3D打印巨頭概念激光，以及意大利激光切割專家BLM集團(tuán)聯(lián)手通過各自的專業(yè)技術(shù)，包括3D打印、激光焊接和激光彎曲，打造出了一款質(zhì)輕、靈活，經(jīng)生物優(yōu)化的新一代汽車框架NextGen。

在這個聯(lián)合項目中，德國的威斯巴登、漢堡、利希騰費(fèi)爾斯和 意大利坎圖通過仿生優(yōu)化、混合制造而成的空間架構(gòu)，為如何才能將需要靈活制造的車身設(shè)計變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)展示出了新的前景。該技術(shù)將增材制造的車身節(jié)點(diǎn)與智能加工的型材相結(jié)合。在增材制造技術(shù)的幫助下，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計可以具有很高的靈活性和多功能性，這樣就可以在無需額外工具和啟動成本的情況下，“按需”生產(chǎn)不同車型。

次世代空間架構(gòu)技術(shù)范例可以對經(jīng)過功能整合和仿生優(yōu)化的車輛輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈活地制造：關(guān)于如何才能將可變且極其靈活的、適用于根據(jù)負(fù)載級別設(shè)計的車身的生產(chǎn)理念轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)這個問題，經(jīng)過仿生優(yōu)化、采用生成式混合制造方法制造的空間架構(gòu)設(shè)計為其展示出了新的前景。

次世代空間架構(gòu)由增材制造的 3D 節(jié)點(diǎn)和智能加工的鋼制型材組合而成。節(jié)點(diǎn)可以在現(xiàn)場根據(jù)不同的車型采用JIS（準(zhǔn)時化順序供應(yīng)）方式制造。重點(diǎn)是將單個部件接合成混合結(jié)構(gòu)，以便制造出經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)，但這一點(diǎn)目前尚無法實(shí)現(xiàn)。

連接時采用的是焊縫細(xì)小、熱輸入低的激光焊接法。其幾何基礎(chǔ)是，需要將型材完全套入其中，這一點(diǎn)可以通過對型材進(jìn)行 3D 測量并按需進(jìn)行增材制造來實(shí)現(xiàn)。這種連接方式可以在對部件進(jìn)行良好預(yù)定位的同時，在較大連接長度上實(shí)現(xiàn)整圈焊接。型材將自動通過節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對準(zhǔn)和固定。使用盤形激光器和機(jī)器人引導(dǎo)的光學(xué)元件。此外，用于制造型材和節(jié)點(diǎn)的激光技術(shù)可以在裝配過程中實(shí)現(xiàn)高度自動化。這種設(shè)計在成本結(jié)構(gòu)和節(jié)省時間方面提供了巨大潛力。
3D打印的節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)不同負(fù)載級別進(jìn)行調(diào)整，例如在負(fù)載要求較高時可增添加固元件。這樣，每一款車型都能實(shí)現(xiàn)重量和功能優(yōu)化。 只有合作伙伴之間的跨學(xué)科合作和各個技術(shù)專家的高超能力才能確保這個項目成功變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。  

次世代空間架構(gòu)節(jié)點(diǎn)的3D打印工藝可直接根據(jù) 3D-CAD 文件逐層生成部件。通過該方法無需使用刀具即可生產(chǎn)出具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的部件。它可以制造出使用傳統(tǒng)制造工藝極難或根本無法制造的部件。本設(shè)計中的節(jié)點(diǎn)均無法使用傳統(tǒng)的鑄鋼工藝制造。為了確保結(jié)構(gòu)無缺陷，需要在與構(gòu)造平臺夾角小于45°的平面上設(shè)計支撐結(jié)構(gòu)。該支撐結(jié)構(gòu)除了具備單純的支撐功能外，主要還用于承受內(nèi)部應(yīng)力并防止部件翹曲。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)的幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，所以良好的支撐準(zhǔn)備是成功生產(chǎn)的基礎(chǔ)。完成支撐準(zhǔn)備之后，將通過虛擬形式把部件切割成單層。在將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?LaserCUSING 設(shè)備上之后，將分配相應(yīng)的過程參數(shù)，然后啟動構(gòu)造過程。這些節(jié)點(diǎn)均由 X line 1000R 制造而成，該設(shè)備具有適用于此項目的構(gòu)造空間 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。

空間架構(gòu)設(shè)計結(jié)合了 3D 打印的優(yōu)勢，例如靈活性和輕量構(gòu)造潛力，以及成熟的型材構(gòu)造經(jīng)濟(jì)性。在這兩種技術(shù)中，激光都處于核心地位。經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了最大程度的輕量化和功能的高度整合。無論是節(jié)點(diǎn)還是型材，都可以在不增加成本的同時，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和負(fù)載要求進(jìn)行調(diào)整。因此，它們提供了根據(jù)負(fù)載級別對單個零件進(jìn)行設(shè)計的可能。由此可見，主導(dǎo)思想是要根據(jù)車型的要求優(yōu)化進(jìn)行節(jié)點(diǎn)-型材構(gòu)造設(shè)計。結(jié)果就是得到了經(jīng)過負(fù)載路徑優(yōu)化空間架構(gòu)的結(jié)構(gòu)。通過采用這種設(shè)備和刀具使用較少的方法，將來所有車身類型都將能夠經(jīng)濟(jì)地制造并具有最高靈活性。

Concept Laser 有限公司是一家來自德國的獨(dú)立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING技術(shù)從事跨行業(yè)的經(jīng)營活動。LaserCUSING是這樣一種技術(shù)：該熔融方法是采用3D CAD 數(shù)據(jù)逐層生成部件的熔融技術(shù)。在這過程中，粉末狀的金屬通過高能光纖激光器發(fā)生局部熔化。冷卻后，材料凝固。反射鏡偏轉(zhuǎn)裝置（掃描器）通過對激光束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)制造出部件輪廓。通過降低構(gòu)造空間底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構(gòu)造出部件。該方法可在不使用模具的情況下制造出復(fù)雜幾何形狀的部件，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的。

Concept Laser 設(shè)備的特點(diǎn)在于對需要連續(xù)處理的切片分割進(jìn)行隨機(jī)控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時顯著降低應(yīng)力。
利用 LaserCUSING技術(shù)既可以制造帶有貼近輪廓的冷卻系統(tǒng)的模具嵌件，也可以直接制造飾品、醫(yī)療、牙科、汽車、航空航天行業(yè)用的部件。原型件和量產(chǎn)件皆可制造。。
Concept Laser 的激光加工設(shè)備可加工不銹鋼、熱作鋼、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料。
LaserCUSING 為眾多行業(yè)在進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性和速度方面開辟了新的前景，這些行業(yè)包括：
•        醫(yī)療和牙科
•        航空航天工業(yè)
•        刀具與模具制造
•        汽車制造與賽車運(yùn)動
•        飾品
•        機(jī)械制造



未來的車身，尤其是在各種小批量車型的替代驅(qū)動系統(tǒng)方面，不僅需要更輕量，而且要求設(shè)計上更需具備極高的靈活性�？上攵�知，其結(jié)果便會出現(xiàn)越來越多的車輛衍生品，而這些衍生品則需要具備自我調(diào)整能力和制造經(jīng)濟(jì)性的車身設(shè)計。對此，在可預(yù)見的未來，增材制造技術(shù)可能會開創(chuàng)一條全新的可行道路。

南極熊小編認(rèn)為，NextGen這種采用了多種技術(shù)制造而成的結(jié)構(gòu)很好地展現(xiàn)了汽車工業(yè)的未來。相信隨著3D打印以及混合制造技術(shù)的快速發(fā)展，這樣的設(shè)計必定會越來越多。屆時，汽車這種大眾交通工具必定會變得更加多樣化，為我們的生活帶來更多的精彩