汽車市場是全球最大的消費(fèi)品市場之一,2020年全球?qū)⑸a(chǎn)1.03億輛乘用車，其中內(nèi)燃機(jī)車占8190萬輛，市場占有率為79.5%，新能源車（含混動，電動）為2110萬輛，占20.5%，其中純電動汽車為410萬輛。到2030年，預(yù)計(jì)全球?qū)⑸a(chǎn)1.2億輛乘用車，其中內(nèi)燃機(jī)車占960萬輛，市場占有率為8%，新能源車（含混動，電動）為11040萬輛，占92%，其中純電動汽車為5040萬輛。

由于消費(fèi)市場的升級，汽車市場正面臨著越來越多的訂制化訂單的需求，而3D打印技術(shù)所能夠?qū)崿F(xiàn)的高柔性和高復(fù)雜性的生產(chǎn)，恰好與汽車市場的訂制化需求有結(jié)合點(diǎn)。同時，3D打印企業(yè)也在致力于推動面向生產(chǎn)的增材制造解決方案，使得3D打印技術(shù)更加貼近于汽車制造業(yè)對質(zhì)量、成本和效率的要求。

兩年前（2017年5月），汽車制造商戴姆勒、飛機(jī)制造結(jié)構(gòu)和制造系統(tǒng)的供應(yīng)商Premium AEROTEC和工業(yè)級增材制造設(shè)備制造商EOS共同開展了“新一代增材制造（NextGenAM）“項(xiàng)目。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一條基于3D打印-增材制造技術(shù)的新一代自動化單元，該自動化單元能夠?yàn)楹娇蘸教旌推囍圃鞓I(yè)生產(chǎn)金屬鋁部件，并且成本效益超過目前的3D打印工藝。如今，戴姆勒公布了該項(xiàng)目兩年來取得的進(jìn)展，就整體生產(chǎn)流程而言，這條3D打印自動化單元與現(xiàn)有的獨(dú)立3D打印系統(tǒng)相比，制造成本可降低多達(dá)50％。

本期，3D科學(xué)谷將與谷友們進(jìn)一步了解戴姆勒汽車試點(diǎn)的汽車零部件3D打印自動化單元所包含的制造技術(shù)，以及未來這樣的3D打印自動化單元與汽車制造的結(jié)合點(diǎn)。

圖片：戴姆勒已開始用3D打印自動化單元制造卡車配件，如3D打印柴油發(fā)動機(jī)支架。來源：DAIMLER。

進(jìn)一步降低3D打印生產(chǎn)成本

全自動化的增材制造

“新一代增材制造（NextGenAM）“項(xiàng)目中所打造的3D打印自動化單元是一條可擴(kuò)展的增材制造生產(chǎn)鏈，完全采用自動化制造技術(shù)。也就是說，從3D打印零件數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，到粉末供應(yīng)再到增材制造構(gòu)建本身，包括組件與打印構(gòu)建平臺的分離、熱處理、質(zhì)量檢測，整個增材制造過程中的任何階段都不需要手動操作。

自動化單元中集成的增材制造設(shè)備為EOS M 400-4，這是一款四激光器的選區(qū)激光熔化3D打印設(shè)備。自動化單元中的自動運(yùn)輸系統(tǒng)和機(jī)器人確保了零件在自動化單元的每個階段的平穩(wěn)移動。

整個生產(chǎn)過程在沒有操作人員的情況下通過中央自治控制站運(yùn)行，機(jī)器設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)是系統(tǒng)的基礎(chǔ)，當(dāng)生產(chǎn)訂單數(shù)據(jù)被發(fā)送到控制站之后，由控制站優(yōu)先考慮各種制造請求，并將它們分配給3D打印設(shè)備。

在構(gòu)建過程中，管理人員還可以在移動設(shè)備上檢索制造狀態(tài)。完成整個生產(chǎn)流程后，產(chǎn)品質(zhì)量報(bào)告將集中發(fā)送回控制站。生成數(shù)字雙胞胎所需的所有數(shù)據(jù)都可以在這里被訪問到，因此通過該自動化單元制造的產(chǎn)品具有可追溯性。

可擴(kuò)展的生產(chǎn)能力

新一代增材制造（NextGenAM）項(xiàng)目展示了如何在批量生產(chǎn)中高效使用工業(yè)3D打印技術(shù)，并將其作為自動化生產(chǎn)流程鏈的一部分。自動化單元中集成了質(zhì)量管理的連續(xù)3D數(shù)據(jù)，這是符合未來工業(yè)4.0的基準(zhǔn)。

這條自動化單元是可擴(kuò)展的，即通過簡復(fù)制擴(kuò)展工廠的增材制造生產(chǎn)能力。隨著自動化單元的擴(kuò)大，增材制造成本在未來將進(jìn)一步下降。如今，這一自動化單元所制造的部件已經(jīng)能夠達(dá)到批量生產(chǎn)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

目前，戴姆勒汽車已經(jīng)通過這條增材制造自動化單元生產(chǎn)汽車零件，首個通過該生自動化單元生產(chǎn)的是戴姆勒卡車柴油發(fā)動機(jī)的鋁支架。這些3D打印支架是卡車的更換配件。3D打印技術(shù)在制造備品備件領(lǐng)域具有優(yōu)勢，與鑄造工藝相比，在無需使用模具的情況下金屬3D打印技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)零件的直接制造，對于那些需求量小的零件，采用這種方式制造更具有成本效益。

目前戴姆勒巴士的3D打印能力中心正在評估用3D打印配件替換傳統(tǒng)配件的可行性。同時，戴姆勒乘用車分析團(tuán)隊(duì)，也在考慮合適的潛在3D打印應(yīng)用。

戴姆勒股份公司未來技術(shù)主管Jasmin Eichler，增材制造也適用于新車（限量版）的最小批量生產(chǎn)，專門針對3D打印零件開發(fā)的生產(chǎn)系統(tǒng)，可以進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本并優(yōu)化質(zhì)量。此外，3D打印在車輛的先進(jìn)開發(fā)中也具有特別意義，與傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝相比，增材制造通常可以更低成本，更快地滿足小批量生產(chǎn)需求。

3D打印技術(shù)也同樣適用于電動車零部件生產(chǎn)，特別是制造一些對于產(chǎn)品性能和輕量化有著更高要求的部件，例如生產(chǎn)電動車輛電池中帶有冷卻通道的基板。

高標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品質(zhì)量

高質(zhì)量產(chǎn)品是這條試點(diǎn)3D打印自動化單元的標(biāo)準(zhǔn)配置，包括試用用于航空航天零行業(yè)的高強(qiáng)度鋁/鎂/鈧合金（也稱為Scalmalloy？）材料，還有一種適用于汽車行業(yè)的經(jīng)典的鋁合金（AlSi10Mg）。這些3D打印金屬粉末材料的特性在試點(diǎn)項(xiàng)目過程中不斷得到改善，與兩年前合作開始時相比，材料強(qiáng)度和成品質(zhì)量以及其他因素得到了改善。

與汽車制造的結(jié)合點(diǎn)

目前，通過這條增材制造自動化單元所制造的零件以通過了質(zhì)量檢查，并且根據(jù)嚴(yán)格的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)VDA 6.3的要求進(jìn)行審核準(zhǔn)備。而通過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的審核，是戴姆勒汽車對于合同制造商提供的批量生產(chǎn)零部件的先決條件之一。

整個自動化增材制造生產(chǎn)鏈未來將被用于更大批量的零部件生產(chǎn) ，并且具有與傳統(tǒng)制造組件相當(dāng)?shù)目煽啃?、功能性，耐用性和?jīng)濟(jì)效率。汽車制造商可以針對3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢，有針對性的優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)，降低復(fù)雜部件制造成本，提升零部件性能。3D打印在制造輕量化零部件方面的優(yōu)勢，對于電動車輛制造尤為重要。在制造配件方面，3D打印帶來了節(jié)省倉儲成本的優(yōu)勢，使得零件可以“按需”生產(chǎn)。數(shù)字化制造中集中可用的制造數(shù)據(jù)和3D打印技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)配件的離散生產(chǎn)奠定基礎(chǔ)。

3D科學(xué)谷Review

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，近年來，金屬3D打印企業(yè)在汽車零部件的最終生產(chǎn)領(lǐng)域做了大量的努力與嘗試，雖然方式各有不同，但共同的目標(biāo)都是圍繞著使得金屬3D打印零件的質(zhì)量達(dá)到汽車制造業(yè)的要求，制造成本和效率更加靠近汽車制造業(yè)的需求。

不僅如此，一些3D打印-增材制造企業(yè)還致力于利用選區(qū)激光熔化等3D打印技術(shù)的優(yōu)勢，協(xié)助汽車制造商進(jìn)行汽車零部件的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

比如3D科學(xué)谷在《如何通過金屬3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車大燈散熱器的低成本、高效生產(chǎn)？》一文中所談到的汽車大燈散熱器生產(chǎn)案例，英國增材制造企業(yè)Betatype對汽車LED大燈散熱器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)方面做了全面考慮，設(shè)計(jì)師采用了功能集成化的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了內(nèi)置支撐功能，該功能使得打印零件無需添加額外的支撐結(jié)構(gòu)。完成后的打印件通過手工的方式即可從基板中分離，無需借助其他分離切割設(shè)備。

圖片：通過3D打印設(shè)備進(jìn)行批量制造的大燈散熱器，來源：Betatype。

散熱器的生產(chǎn)采用雷尼紹的多激光器金屬3D打印設(shè)備RenAM 500Q，結(jié)合優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案和打印工藝，每個系統(tǒng)生產(chǎn)一年的產(chǎn)能從7055個增加到135,168個，實(shí)現(xiàn)19倍的提高，如果安裝7臺設(shè)備，每年可以生產(chǎn)接近100萬個3D打印零件。這一探索反映了基于選區(qū)激光熔化的金屬3D打印技術(shù)以更具優(yōu)勢的成本和生產(chǎn)效率量產(chǎn)汽車零部件的可行性。

談到3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用，還有一種用于鑄造砂模制造的粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)容易被忽略，但實(shí)際上該技術(shù)正在與先進(jìn)汽車零部件的生產(chǎn)進(jìn)行結(jié)合。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，寶馬采用了這一3D打印技術(shù)制造S58發(fā)動機(jī)缸蓋的鑄造砂芯，以滿足輕量化以及熱管理性能的需求。

圖片：寶馬S58發(fā)動機(jī)，來源：BMW。

其實(shí)，汽車是鑄造最大的應(yīng)用市場，而3D打印與鑄造的結(jié)合可以說是具有從產(chǎn)品設(shè)計(jì)源頭上顛覆汽車零部件設(shè)計(jì)的潛力。

來源：3D科學(xué)谷《3D打印在鑄造領(lǐng)域的價值與應(yīng)用趨勢》白皮書。

3D科學(xué)谷的判斷是隨著3D打印與鑄造的結(jié)合，鑄造作為產(chǎn)品“誕生”的“源頭”，其決定產(chǎn)品核心競爭力的價值將顯現(xiàn)，這個行業(yè)不再被誤讀為“傻大笨粗”，而是成為企業(yè)發(fā)展核心競爭力的體現(xiàn)，因?yàn)?D打印可以從源頭決定一個產(chǎn)品的創(chuàng)新程度，很多大型企業(yè)將改變將鑄造外包給鑄造廠的模式，而是將鑄造將作為核心關(guān)鍵的一環(huán)納入到企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)運(yùn)營中，這個過程中或?qū)l(fā)生鑄造廠被并購的現(xiàn)象。

這一領(lǐng)域的典型案例是，voxeljet-維捷及其合作伙伴通過將粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)應(yīng)用于規(guī)模生產(chǎn)，從而將增材制造提升到新的水平。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，voxeljet-維捷的合作伙伴為德國領(lǐng)先的汽車制造商，通過自動化單元-VJET X 3D打印復(fù)雜的砂模和砂芯，該自動化單元有望成為世界上首次汽車關(guān)鍵零件生產(chǎn)領(lǐng)域的集成增材制造解決方案，該項(xiàng)目將利用3D打印的砂芯來鑄造關(guān)鍵發(fā)動機(jī)部件。與傳統(tǒng)方法相比，VJET X提高了生產(chǎn)靈活性，并允許高速制造具有更為復(fù)雜幾何形狀的砂型模具，從而提高最終產(chǎn)品的性能，并通過產(chǎn)品性能的提高來提高產(chǎn)品生命周期效益。

在交鑰匙項(xiàng)目方面，拿電機(jī)殼體的3D打印與鑄造來說，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，目前在國內(nèi)，瑞士大昌華嘉-DKSH可以在最短時間（傳統(tǒng)模具技術(shù)1/10時間）為用戶提供基于3D打印技術(shù)的快速成型模具工藝，幫助用戶建立從研發(fā)到小批量生產(chǎn)電機(jī)的鑄件供應(yīng)。

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