深度解析 | 3D打印技術在汽車制造中的應用

導讀：1986年3D印刷機在美國誕生，拉開了3D打印技術發(fā)展的帷幕。30多年來，3D打印技術得到了飛速發(fā)展和廣泛的應用，以至于英國《經濟學人》雜志將其推崇為“第三次工業(yè)革命”，美國政府將3D打印技術作為制造業(yè)發(fā)展的首要戰(zhàn)略任務。

3D打印技術發(fā)展到現在有多種技術途徑，通常根據使用材料的不同和構建物體方式的不同進行分類，可分為光固化成型（SLA）、電子束自由成形（EBF）、直接金屬激光燒結（DMLS）、電子束熔化成型（EBM）、選擇性激光燒結（SLS）、3DP等。目前3D打印技術已逐步應用于汽車、航空航天、船舶、醫(yī)學、建筑、服飾、食品等多個領域。

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一、3D打印在汽車制造中的應用
1. 3D打印汽車的發(fā)展歷程
2010年11月，世界第一輛3D打印汽車問世，這是由美國Jim Kor團隊研發(fā)的采用3D打印技術制造的6︰1模型車，名叫Urbee。2013年初第一臺原型車Urbee2誕生，Urbee2一半以上的零件是由3D打印的。

2014年，第一輛3D打印電動車Strati橫空出世，這是一輛只有40個零部件的3D打印汽車，整個打印時間僅44小時。

2015年，美國DM公司打造了全球第一款3D打印跑車——刀鋒（見圖1），該車采用3D打印汽車零部件，然后人工組裝而成。同年，三亞思海3D公司研發(fā)出了中國的3D打印汽車。

2016年，全球七大3D打印概念車面市，世界各大品牌汽車紛紛推出了自己的最新設計。2019年，國內XEV公司設計出世界第一款量產3D打印電動汽車。

2. 3D打印技術在汽車業(yè)中的應用現狀
雖然關于3D打印汽車的新聞屢有報道，但是細心的讀者不難發(fā)現，3D打印汽車這個概念的宣傳力度大于實際應用，以上述七大概念車為例，3D打印組件僅占整車中很小的一部分，而且還是非承力件。因此有分析人士認為，3D打印汽車更多的是在宣傳一種技術發(fā)展理念，通過這一理念來拉動消費，并不是真的要采用3D打印來生產汽車。

然而，3D打印作為一項新興技術有其獨特的優(yōu)越性，依然在汽車業(yè)中有著許多成功的應用案例。下面從汽車設計、制造和消費的不同階段來分析3D打印技術在汽車業(yè)中的應用。

在汽車設計階段，3D打印可快速制作概念模型和功能原型，在產品研發(fā)初期大大縮短汽車零部件的驗證時間，從而縮短汽車的研發(fā)周期，并盡可能地降低由于設計方面的原因而造成的成本浪費。例如，蘭博基尼采用3D打印技術研制引擎管路，實現了用較短的時間完成復雜結構的制作。

在汽車制造階段，汽車的外飾包括車燈、保險杠、徽標、擋泥板等，汽車的內飾包括聲學系統、方向盤、儀表板、操作桿等，以及底盤、車身等都成功應用了3D打印技術。據報道，3D打印技術的應用在縮短生產周期、降低生產成本方面發(fā)揮了重要作用。

汽車消費階段，也就是說汽車進入消費者手中，廠商需要對其車輛進行維保、修復，在這一領域，3D打印技術可謂大展身手。比如，保時捷采用3D打印技術為經典汽車生產零備件，奔馳公司采用3D打印的零部件修復20世紀50年代的跑車，寶馬公司采用3D打印零件修復老舊座駕。此外，在汽車零部件的供應鏈中，應用3D打印技術已是目前各大公司的追求目標。

3. 3D打印是噱頭還是工業(yè)革命？
在3D打印技術發(fā)展的如火如荼的時候，也有業(yè)內人士指出，3D打印技術在批量生產方面還無法與傳統工業(yè)相比，標準化作業(yè)還無法大規(guī)模實現，打印材料遠未達到廣泛使用的要求，高性能零部件的打印技術還沒有形成，復合型人才的缺乏等，都限制了3D打印技術的推廣應用，更不要說3D打印整車了，3D打印汽車也只是一個博人眼球的噱頭而已。

另一方面的聲音就很樂觀了。早在2014年就有學者撰文《3D打印技術顛覆汽車制造業(yè)》，提出了3D打印技術將引領汽車制造業(yè)的觀點。2016年，《美國汽車新聞》評選出全球十二大汽車行業(yè)的顛覆者，3D打印位居榜首。由此可見3D打印技術的先進性。

3D打印是“噱頭”還是“工業(yè)革命”？我們應該客觀評價3D打印技術的發(fā)展與應用，既不要抵觸，也不要神話。作為一種新興的科學技術，3D打印有著傳統工藝無法比擬的優(yōu)勢，但不可否認也存在無法克服的缺陷，我們應該做的是盡可能的發(fā)揮其長處，在生產中取得更高的效益。

4. 3D打印汽車的發(fā)展前景
（1）分析3D打印技術在汽車行業(yè)中的應用前景之前，不妨先分析一下汽車未來發(fā)展的方向特點，歸納起來有以下四個方面。

新能源：2019年7月1-3日，世界新能源汽車大會在海南博鰲隆重召開，大會聚集了全球專家和精英，就新能源汽車的創(chuàng)新、市場、產業(yè)轉型升級等問題進行研討。近幾年來，我國的新能源汽車產銷量持續(xù)增長，而新能源汽車中純電動車占比超過80%。在全球汽車產業(yè)轉型升級和環(huán)境持續(xù)改善的產業(yè)要求下，新能源汽車將是未來汽車產業(yè)的發(fā)展方向。

輕量化：世界各國為提高車輛燃油效率，減少二氧化碳的排放量，紛紛制定法律法規(guī)，以促進改善環(huán)境。在全世界節(jié)能減排、保護環(huán)境的大背景下，汽車輕量化成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向之一。

智能化：汽車產業(yè)的智能化可分為兩個方面，智能制造和智能駕駛。智能制造是制造業(yè)的發(fā)展目標，汽車行業(yè)自然也不例外。華為5G+C-V2X車載通信技術的開發(fā)，為智能駕駛提供了新的技術保障，未來的汽車有可能像科幻片中的汽車一樣，我們坐在車里，說出目的地，汽車會自動、安全地將我們送到。

個性化：個性化定制彰顯個性魅力，滿足不同消費者的個性需求，將是未來汽車開發(fā)的方向之一。在傳統生產模式下，個性化定制是一部分人的消費專利，隨著科學技術的發(fā)展，個性化定制必將走入尋常百姓家。

（2）通過以上對汽車未來發(fā)展方向的分析，汽車的研發(fā)與制造會發(fā)生以下幾方面的變化。

汽車構造的重新設計：有人曾經設想，電動汽車的研發(fā)，取代了傳統的發(fā)動機，整個汽車的構造發(fā)生了重大變化�？蓪㈦姍C裝入輪轂中，由導線連接電池，傳統的發(fā)動機系統和傳動系統等都不需要了，取而代之的是車載通信、音響視頻系統等。

復雜構件的制造：汽車輕量化不僅可以從使用輕型材料來實現，還可以從復雜構件的設計上達到減輕重量的目的。

私人定制：汽車在保障必要功能的前提下，其外觀和個性需求受到消費者的重視，也是爭奪市場的有利武器，因此私人定制也是汽車制造的重點關注方向之一。

（3）綜上所述，3D打印技術的優(yōu)勢正好將在未來汽車制造業(yè)中大顯身手，主要有以下四個方面。

縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本：3D打印在未來汽車研發(fā)階段的應用就不僅僅是單個零部件的試制，而是整個車的結構、布局的研發(fā)，大概還沒人知道未來汽車是什么樣子，誰能占領3D打印技術的制高點，誰就能用最低的研發(fā)成本，不斷地推陳出新，快速占領市場。

汽車輕量化的有力武器：以往的汽車輕量化多注重輕型材料的選擇，受到生產工藝的限制很難從結構上做文章，而3D打印技術打破了這一瓶頸限制。3D打印在生產多孔、空腔類復雜結構的零部件方面有其獨特的優(yōu)勢，為汽車輕量化開辟了新的發(fā)展方向。

個性化設計：3D打印不需要傳統的模具設計與制造過程，而只需要CAD設計圖形即可，因此可以使用不太高的成本來滿足不同客戶的個性化需求，這些個性化設計包括車型、車飾等等。例如圖2這款造型可愛的汽車，會受到眾多愛美人士的喜愛。

零部件供應：3D打印零部件的供應依然是未來汽車業(yè)的重要發(fā)展方向之一，與以往不同的是，在3D打印技術日漸成熟之后，3D打印所能提供的零件種類會越來越多，今后在整個零件供應鏈中，尤其是已經停產的車型，可能將不再有實物零件的存儲，而只要保留各零部件的相關數據，需要時打印就可以了（見圖3）。

二、中國汽車制造業(yè)的機遇與挑戰(zhàn)
3D打印技術雖然發(fā)展的時間不長，但發(fā)展速度之快令人驚奇，在汽車制造業(yè)中的應用也越來越廣泛，這種形勢會對中國的汽車制造業(yè)帶來哪些影響呢？

1.中國汽車制造業(yè)的發(fā)展機遇
目前在普通消費者眼中，國產汽車還普遍處于較低端的市場，其性能和品牌影響力遠不如進口汽車品牌，在傳統生產工藝條件下，國產汽車一直處于追趕地位。在新的形勢下，全球汽車企業(yè)都面臨著轉型升級，恰逢3D打印技術的應用，將世界各國的汽車生產企業(yè)拉到了同一起跑線上。而在3D打印技術上，中國處于世界前列，部分技術還處于世界領先水平。面對新的形勢，中國企業(yè)似乎還處于優(yōu)勢地位。抓住這一機遇，充分發(fā)揮3D打印技術的優(yōu)勢，助力汽車產業(yè)的轉型升級，將有望在不遠的將來成就自己的世界品牌。


2.中國汽車制造業(yè)面對的挑戰(zhàn)
中國車企在面臨新的發(fā)展機遇時，同樣也面對著巨大的挑戰(zhàn)。一方面在傳統汽車制造業(yè)領域我們相對落后，即使在同一起跑線上，對手同樣強大；另一方面，任何一項新技術的應用都存在一些潛在的風險，比如新技術與傳統工藝的兼容性、適用性、產品的可靠性、人員對新技術的適應性等，都會影響整個產業(yè)的發(fā)展。因此，中國車企面臨的挑戰(zhàn)同樣不可小覷。

三、結束語
3D打印是一項新興技術，其發(fā)展前景是令人欣喜的。3D打印技術的廣泛應用必將推動各行各業(yè)的快速發(fā)展，汽車制造業(yè)在新的形勢下也將發(fā)生翻天覆地的變化。中國汽車制造企業(yè)應該積極應對，加強新技術的研發(fā)與應用，成就自己的民族品牌。

來源 | 《世界制造技術與裝備市場（WMEM）》雜志2019年第4期
作者 | 李雪峰 黃安琪 夏申琳 中船重工集團第七二五研究所