中國汽車技術(shù)研究中心孟憲明：汽車領(lǐng)域增材制造應(yīng)用進展及趨勢

2020年8月20日-21日，中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇暨2020年中國增材制造產(chǎn)業(yè)年會在安徽蕪湖市舉行，此次年會由工業(yè)和信息化部裝備工業(yè)發(fā)展中心、安徽省經(jīng)濟和信息化廳、蕪湖市人民政府指導，中國增材制造產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟主辦，繁昌縣人民政府協(xié)辦，南極熊作為支持媒體對本次會議進行了直播。

△中國汽車技術(shù)研究中心首席專家的孟憲明先生

在“中國增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展蕪湖（繁昌）高峰論壇”上，中國汽車技術(shù)研究中心首席專家的孟憲明先生發(fā)表主題演講，題目是《汽車領(lǐng)域增材制造應(yīng)用進展及趨勢》，以下是本場演講的現(xiàn)場速記，經(jīng)大會組委會授權(quán)發(fā)布。
△視頻：孟憲明《汽車領(lǐng)域增材制造應(yīng)用進展及趨勢》

孟憲明：尊敬的各位領(lǐng)導、各位專家、各位行業(yè)同仁大家下午好，我是來自中國汽車技術(shù)研究中心的孟憲明，今天很榮幸受邀為大家?guī)�來一個汽車領(lǐng)域增材制造應(yīng)用進展及趨勢的專題技術(shù)報告。

下面主要是基于汽車行業(yè)的內(nèi)容給大家作一個普及和簡短的匯報。大概分為以下幾個方面：第一個方面增材制造數(shù)字化制造概述。

汽車行業(yè)的車身領(lǐng)域經(jīng)歷過不同的發(fā)展歷程，比如車身在最原始是全鋼車身一直到現(xiàn)在的寶馬、奔馳以及日本企業(yè)也開發(fā)了一些多材料混合，比如鋼鐵車身。隨著車身進一步發(fā)展，我們在車身設(shè)計領(lǐng)域更加體現(xiàn)一句話就是將合適的材料應(yīng)用在合適的位置，用合適的工藝實現(xiàn)它的設(shè)計性能，合適的工藝就會體現(xiàn)到多種工藝，包括傳統(tǒng)也包括現(xiàn)有的新型工藝其實就有增材制造領(lǐng)域，以及核心部件，后面我會有汽車行業(yè)的案例和大家分享。

在汽車行業(yè)追求四化有一個是追求輕量化，在輕量化有幾種路徑包括先進材料的應(yīng)用、先進工藝以及先進設(shè)計方案，在輕量化的技術(shù)發(fā)展圖譜上都是把材料用高強化、高韌化以及高強復合材料以及新金屬的應(yīng)用。這就涉及到怎么把材料用到合適的零部件，用什么工藝去解決？包括3D打印工藝，特殊的結(jié)構(gòu)常規(guī)工藝是實現(xiàn)不了的，這就會為增材制造的領(lǐng)域帶來很大的發(fā)展空間。

從設(shè)計工藝和材料匹配集成的角度，汽車行業(yè)分四大塊：第一個是材料，我們怎么去選材？第二個是材料采用什么工藝制備出來？第三個是前期采用什么設(shè)計方法？設(shè)計方法最終體現(xiàn)的汽車作為民用產(chǎn)品涉及多方面的性能比如安全性能、疲勞耐受性能等性能，這些性能的約束使得我們對結(jié)構(gòu)的設(shè)計越來越苛刻，也越來越具有挑戰(zhàn)性，包括拓撲優(yōu)化的方法就出來了，以及新興的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法就出來了，這個時候要選擇合適的材料實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的方式核心就是工藝方法。工藝方法在過去的傳統(tǒng)工業(yè)來講，主要鋼制車身可能就是沖壓、焊接、涂裝以及總裝四大基本工藝，但是在新材料、新工藝開始越來越進入汽車領(lǐng)域，不同的創(chuàng)新零部件就出來了，比如我們現(xiàn)在應(yīng)用一些碳纖維，現(xiàn)在應(yīng)用的一些樹脂材料，它可能會有3D打印技術(shù)，以及先進的RTM、CTM技術(shù)，這種技術(shù)帶來的是工藝的革新，比如研制方式就發(fā)生徹底的改變，多材料車身焊接占有一部分比例，這個時候也是工藝帶來汽車工藝的變化。在發(fā)展過程中，也為新的技術(shù)、新的工藝帶來很多機會和挑戰(zhàn)。

在輕量化整車開發(fā)技術(shù)中往往會用到一個技術(shù)手段就是拓撲優(yōu)化，商飛的老總也說的在航空航天也用過這樣的技術(shù)，我們要尋找最佳的路徑，讓這樣的路徑能夠?qū)崿F(xiàn)多性能的約束，使得零部件能夠更好地裝在汽車上。這個時候就有不同的部件形狀，比如第五幅圖展示的可能是很多連接方式在車橋上會有這樣的部件，這樣的部件怎么制作？現(xiàn)有的工藝可能是沖壓、擠壓，比如我們遇到這些細微的結(jié)構(gòu)和不均的結(jié)構(gòu)時傳統(tǒng)工藝可能會受到挑戰(zhàn)，這個時候用增材制造技術(shù)或者數(shù)字制造技術(shù)，我采用增材制造的方法進行平面制造，把這一平面進行提升，這就是體現(xiàn)增材制造的工藝獨有特性和特點。

比如我現(xiàn)在展示的方式針對于工況拓撲優(yōu)化汽車的骨架結(jié)構(gòu)，在A柱上有傳力結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)上用斷面，把這個斷面設(shè)計成比較好的理想閉環(huán)，采用不同的高鋼或者高還的材料實現(xiàn)斷面的結(jié)構(gòu)，使得A柱能夠有很牢的強度，在碰撞過程中不容易折彎。國外很多采用這種結(jié)構(gòu)之后用了一種叫三維編織技術(shù)其實也是廣義的3D打印技術(shù)，它把碳纖維用編制方法集成進來，這樣車體可以做得很輕，而且對于部件的定制化來講有很大的優(yōu)勢。

五個方面說一下為什么數(shù)字化適合我們行業(yè)發(fā)展的流程圖。因為我們設(shè)計的時候先有概念設(shè)計階段，再有工程開發(fā)階段等等。剛才左處長提到把智能制造，把數(shù)字化的制造怎么能和增材制造工業(yè)結(jié)合在一起，其實在汽車行業(yè)設(shè)計來講可以做無縫結(jié)合，因為本身用到就是數(shù)字化的工具，我們的性能驗證在前期樣車出來之前用到的是虛擬作汽車的鋼度、強度，這個時候就可以把數(shù)據(jù)切入進來，包括我們的一些樣車部件的制造，我們可以先把樣車制造出來驗證它的性能是否能夠達到我們需要的性能。

在增材制造這一塊，我分為兩大塊：一塊是和研發(fā)密切相關(guān)的，另一塊就是直接制造模具。研發(fā)制造可能分為幾類：比如對一個部件技術(shù)系數(shù)，這個時候快速用3D打印的方式，優(yōu)化造型車的特點。另外在有些零部件上在沒有形成開模具之前基于圖紙作一個快速制造，用一些試驗方法評估這個零部件能不能達到我的性能約束條件，達到整車開發(fā)的要求，這都是為我們汽車行業(yè)的快速發(fā)展以及快速驗證提供了很大的手段。后面是直接制造，現(xiàn)在新能源車很多時候是個性化的，特別是90后和95后這代人追求的是和別人不一樣的有差異感的商品，這個時候增材制造在外造型上的設(shè)計，在快速開發(fā)上有獨特優(yōu)勢，因為傳統(tǒng)都是為大批量生產(chǎn)所服務(wù)的，這個時候它的優(yōu)勢也會顯現(xiàn)出來。

第二部分簡單介紹增材制造在國內(nèi)汽車行業(yè)中的應(yīng)用。第一部分是計算機輔助三維檢測，另外一方面我們快速成型，包括發(fā)動機，包括引擎蓋等等，以及方向盤和安全帶卷收器等等。

第三個部分也是說一下增材制造在國外汽車行業(yè)中的應(yīng)用。他們的應(yīng)用案例比我們略多。這個是賓利的3D打印從輪胎到內(nèi)飾件集成起來做一些迭代。寶馬用的是FDM技術(shù)打印工裝夾具以及方向盤，傳統(tǒng)材料沒有辦法和它媲美的性能比如它的質(zhì)量非常輕、非常耐用。另外一部分AMP使用3D打印技術(shù)作各種各樣的配件，比如給悍馬做的油箱蓋。另外也做一些定制化的產(chǎn)品比如汽車的離合器還有驗證階段的試制產(chǎn)品。還有摩托車企業(yè)在定制化過程中包括PPP新材料做開發(fā)。以及汽車濾油器用在引擎上的PPSF材料，耐高溫性以及強度都比較好。豐田將3D打印技術(shù)用于賽車發(fā)動機上。我們在國外的一些先進車展上也會有概念車型，用3D打印相關(guān)技術(shù)制造汽車，包括一些輕金屬。

另外就是增材制造在汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢，這也是我自己的一點不成熟的看法。

第一個方面就是我們在汽車零部件個性化定制和維修經(jīng)濟上，部件有一些損害或者部件的更新上有部分是需要定制化的，定制化相對整車企業(yè)的批量化生產(chǎn)來講它可能不能滿足定制化需求，這個時候在做定制化后市場維護，以及做車型造型的改良時，3D打印技術(shù)快速和打印出來形狀的獨特性，以及各種材料的性能和價格的匹配性都可以進入到這個市場領(lǐng)域，因為這個市場相對體量比較大，它在整個汽車行業(yè)中也是很重要的關(guān)鍵后市場方向。

另外一個部分是2018年8月，一家意大利的著名電動車制造商就和3D打印Polymaker公司合作，打印了定制化汽車，包括智能化和網(wǎng)聯(lián)化方面它的底盤是一體化的，但是車身是可以做到差異化，底盤可能共用一個底盤線，上午可能是一個公交車小巴士，下午很可能是一個物流車，整個車箱箱體是可以變化的，那定制化服務(wù)是完全可以用增材制造的方法去實現(xiàn)，這也是我覺得未來網(wǎng)聯(lián)化的趨勢，它不是針對某一臺車，很可能是基于共享化和網(wǎng)聯(lián)化的產(chǎn)品點。

最后一個方面是介紹中汽中心工程院在增材制造應(yīng)用案例。

我們利用3D打印機做一些柔性、大型車的快速成形的模型，可以做到快速增長、快速制造、快速驗證，我們也在一些核心部件上進行了一些嘗試，包括新型的高性能用3D打印技術(shù)實現(xiàn)性能提升。

以上是我對在汽車行業(yè)案例的簡單介紹，我感覺增材制造領(lǐng)域是很寬的，而且汽車領(lǐng)域也非常大，在汽車行業(yè)特別是高精尖的更加細致化開發(fā)、定制化開發(fā)時，增材制造的技術(shù)方向和我們的發(fā)展理念是非常契合的，所以增材制造的技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用，在未來大有可為。

以上是我的簡短報告，非常感謝大家，謝謝！

汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，未來市場前景大