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挖掘3D打印技術的高附加值

汽車行業正面臨著百年來的巨變，從傳統的動力總成技術向電氣化的轉型，從傳統的交通工具向“第三生活空間”的轉變，從傳統的加工技術向新興的制造模式轉身……傳統汽車以及新能源汽車對于輕量化生產工藝的共同需求，消費者對于定制化汽車的濃厚興趣，加諸2020年新冠肺炎疫情對于行業的影響，都促使汽車制造商尋求更低的開發成本、更快速的研發周期以及更個性化的零部件產品以提升市場競爭能力。

汽車研發屬于資本與技術密集的產業，新車的研發耗資巨大，一輛新車的研發成本大約在10-500億元，其中很大一部分花在試制上面。為了降低試制成本，汽車行業很早就引入3D打印技術，主要用于汽車前端產品研發，工裝的夾具、檢具制造和個性化定制及改裝。WohlersReport2020指出，2019年全球汽車產業以16.4%的占有率引領3D打印行業應用，緊隨其后的是消費領域、電子領域和航空航天，分別為15.4%和14.7%。可見，正在經歷100多年來最大規模轉型的汽車行業，正在利用與時俱進的3D打印技術在市場上大放異彩。

上汽大眾車身研發高級總監&教授級高級工程師沈衛東表示，造型是產品研發最前端的環節，傳統的造型模型常常出現與實車效果相去甚遠的問題，3D打印技術可以保證造型模型和實車一致，設計師可以更好地評判造型效果以確定造型方案。在零件的結構設計和技術驗證方面，通過評價利用3D打印技術做出的樣品，可以使模具工裝的投入降低，從而將制造時間縮短70%，同時還能降低車重的15%，提高產品成熟度。在車身設計方面，3D打印技術更是有著顛覆性的思維，例如傳統的制造工藝無法做出來的圓角，可以通過3D打印技術完美呈現，幫助設計師拓展想象力的邊界。

在工裝夾具和檢具的制造方面，沈衛東例舉了上汽大眾在長沙總裝工廠遇到的平整度控制難題。在傳統的三坐標測量機無法完成的情況下，上汽大眾利用3D打印技術快速制作了非標檢具，很快解決了難題。對于個性化定制，除了安全件，3D打印技術都可以做出來，從接受客戶訂單到交貨在一周內就能完成。對于3D打印如何從概念到實車安裝的零件的制造過程，他還例舉了具有代表性的戴姆勒三步走的策略：第一步是在一個龐大的零件數據庫里，找到適合3D打印的零部件；第二步是概念驗證，驗證篩選出來的零件在經濟性以及技術方面是否可行；第三步就是利用3D打印來實現數字化的零部件生產。

“對于產業價值鏈來說，占據其‘頭部’才是真正的利潤來源，如何在研發、品牌營銷等環節通過技術占據一定的市場份額，是車企關注的焦點。3D打印以客戶需求和產品功能為導向的設計理念提升了產品的附加值，其產品的更新速度對目前汽車工業的形勢來說也有非常多的利好。不能說3D打印是拯救汽車工業的最大利器，但其帶來的高附加值應用值得我們關注”，沈衛東在解釋產業微笑曲線的時候說道。

工藝與材料雙重挑戰下的機遇

3D打印的技術類型主要有SLA、SLS、FDM、SLM、3DP等，成型原理分別是光固化成型、選擇性激光燒結、熔融沉積、選擇性激光熔融、立體噴墨打印等。選擇合適的3D打印材料與工藝，對產出的零件質量至關重要，而決定用哪種工藝進行零部件的試制還需要一系列的性能驗證，以及對試制費用進行比較。

東風汽車集團產品工程高級工程師陳龍舉了用SLS工藝打印塑料進氣歧管試制驗證的例子：進氣歧管主要由歧管上片、歧管下片、密封墊圈、螺紋嵌件、壓管等5個部分組成，其本體材料是尼龍加30%的玻纖。需要驗證的性能包括耐溫性、耐壓性、熱穩定性、氣密性、最小拉拔力、表面質量等，熱變形溫度需要在150℃以上，性能驗證完成后需要從成本上來考慮使用哪種工藝。

“我們通過SLS工藝與硅膠模試制的費用進行對比，發現在設計研發階段，采用SLS工藝進行小批量試制，在成本上具有一定的優勢”，他告訴我們，“并非所有的3D打印零件都可以直接滿足后續需求，很多情況下需要進行二次處理，例如歧管內壁采用樹脂浸滲處理來保證光潔度需求，歧管上下片整體成型保證密封性。后續還需要通過機加工對裝配面進行處理才能進行后續的裝配應用。”

“目前，我們在3D打印的應用過程中主要遇到兩個難點，一個是全彩3D打印在顏色紋理方面還需要提升，以滿足汽車廠商對于汽車造型驗證的需求。另一個是橡膠3D打印材料在耐熱性方面還有很大的提升空間，以滿足汽車設計驗證過程中對于橡膠材料的需求”，陳龍如是說道。

3D打印并不是最近幾年才興起的，它起源于上世紀80年代末，其在汽車研發的高效應用讓人們不禁會把目光投向汽車制造領域。一汽大眾（長春）高級工程師吳宏濤談到，3D打印在批量汽車制造上的應用主要受制于兩大因素：一方面，汽車零件生產還是以模具為主，因為對于大批量生產，模具的單件成本更低，成型效率更高；另一方面，由于3D打印層與層之間大部分是靠材料自身的重力堆疊在一起的，這使得同材料的3D打印件組織致密度無法與模塑件相比，其性能表現與實際的工藝要求還存在差距。

3D打印作為高新技術產業，研發投入、技術發展對于產業規模的拓展具有關鍵作用，如今3D打印技術在汽車行業的滲透越來越明顯。據悉，截至2019年底，美國通用汽車已擁有17臺StratasysFDM工業級3D打印機，并通過3D打印為其生產線提速、減重和提升成本效益。2020年6月，寶馬集團斥資1500萬歐元開設新的增材制造園區，推動公司在汽車增材制造領域的蓬勃發展。

正如吳宏濤對3D打印行業未來展望時所說，“從汽車行業看未來3D打印技術的發展趨勢，相信未來將會誕生機械性能更好并且更便宜的材料，打印零件的表面質量將會更好，成型速度也將更快，設備參數將走向開源化。”未來3D打印技術能發展得多快，應用的行業領域能夠拓展得多深多廣，我們將拭目以待！

“顛覆”是我們現在談論得非常多的一個詞，3D打印脫離了傳統制造加工的束縛，也顛覆我們對傳統制造業的理解。拋開傳統加工中對模具的依賴，3D打印憑借更高的設計自由度、更短的產品開發周期讓其在復雜的零件加工領域備受青睞。近十年來，3D打印市場的年平均增長率基本保持在25%以上。據WohlersReport2020數據顯示，2019年全球3D打印市場總值達到118.67億美元。