最近，意大利一家名为XEV的初创汽车公司推出了一款双座电动汽车。当LXEV下个月在中国江苏的一家工厂投产时，它将成为世界上第一辆大规模生产的印刷汽车。

然而，这种小批量的利基工具是例外，而不是规则。大多数汽车和卡车仍然依赖于成千上万的金属和塑料零件，这些零件是用传统的铸造、锻造、注塑、机械加工和冲压工艺生产的。

虽然这种情况不太可能在短期内改变，但可生产的印刷汽车零部件正慢慢进入市场。事实上，它们现在可以在宝马i8 Roadster、布加迪Chiron、福特Shelby Mustang GT500和兰博基尼Urus等高端性能车辆上找到。

宝马声称，它已经通过增材制造生产了100万个零部件。仅去年一年，它就生产了20多万个零部件，比2017年增长了42%。这些部件用于各种各样的应用，包括生产工具、夹具和夹具。

福特汽车公司(Ford Motor Co.)于1988年购买了史上第三台3D打印机，目前在全球拥有90多台生产零部件和工具的机器。福特还投资了几家增材制造设备供应商，如Carbon和Desktop Metal Inc.。

在工厂里，福特的工程师和操作员正在利用这项技术来寻找节省公司时间和金钱的方法。例如，在一些工厂，他们打印替换部件以保持装配线运行，而不是等待可穿戴设备，用传统技术需要数周的时间才能制造出来。

添加剂制造“通过在另一层沉积一层材料，而不是从切割，模制或成形的固体材料开始，从数字文件中打印”打印“的固体物体。它允许公司更容易地制造传统上难以用减法制造方法制造的复杂形状和结构。

使用增材制造技术，汽车工程师从设计到成品只需数小时，而不是数周或数月，这有助于简化新产品开发，缩短上市时间。同时也减少了浪费，从而缩短了设置时间，降低了材料成本。

塑料部件通常是用紫外线、红外线或可见光结合激光或热能制造的。金属部件是用激光打印机或电子束打印机生产的，这些打印机通常使用金属粉末作为原材料;激光或电子束将粉末熔合在一起。

有了增材制造技术，以前需要组装的多部件汽车零部件现在可以打印成一个单一的物体。工程师可以将多个组件合并成一个部件，从而减少时间和组装成本。

“赛车运动员和一些奢侈品汽车制造商在采用零件生产中采用添加剂制造业已经相当快地迅速，”Smartech Markets Publishing of Europer高级分析师Davide Sher说。“然而，这些是非常小的批次批次甚至单个部件，这与航空航天和医疗器械段的需求更类似于具有广泛采用的添加剂制造技术的需求。

“大众市场汽车行业的成本约束比这些行业要严格得多，”谢尔指出。“(具有讽刺意味的是)，汽车行业是最早采用3D打印技术进行原型设计的行业之一。”

橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)专门从事增材制造技术的研发工程师安德烈·尼茨(Andrzej Nycz)表示:“汽车应用和医疗应用的最大区别在于定制。”“大多数打印植入物，如膝关节或髋关节，都是定制的，成本不那么重要。另一方面，汽车行业通常需要数以百万计的具有相同形状和几何形状的部件。因此，速度和成本更为关键。”

Nycz表示，增材制造领域的挑战最近发生了变化。“五年前，重点是创造复杂的几何图形，”他指出。“如今，添加剂工艺要求更快、更大，并使用更多的材料。”

“随着增材制造硬件和材料成本的降低，汽车公司开始发现该技术在某些类型的应用中具有成本效益，如小型部件和复杂几何形状的部件，”Sher说。

“更重要的是，新一代的高通量金属和塑料平面技术，以及铝和铝合金等材料，有望很快使更大批量的部件(打印)具有成本效益，生产运行可达5万台，”Sher指出。

轻量化需求驱动

广泛的兴趣在生产准备的印刷零件上受到汽车制造商和供应商面临的许多轻量化挑战。

“毫无疑问，增材制造在航空行业的应用已经证明，它是唯一可以有效解决轻量化问题的生产技术，”Sher说。

“与汽车相比，航空航天的成本问题要小得多，”谢尔指出。“然而，3D打印硬件、软件和材料的成本不断下降，加上电动出行对续航里程的需求不断增加，对轻量化的要求也在不断提高，这使得这些技术在汽车生产中也具有成本效益。”

通过利用数字优化设计软件，工程师可以推动零件的几何形状。该工具使得可以控制在哪里施加更多材料以及完全去除材料的位置。

“这导致了高度复杂的部分几何结构，如晶格和小梁结构，不能通过任何传统的成型或减法方法制造，”谢尔说。“使用增材制造技术，生产这些更复杂的结构实际上更便宜，因为所需的材料更少，而不是通过冗长的生产过程生产标准部件。”

包装和定位部件，如托架，已经成为最近在汽车工业增材制造努力的流行应用。优化的支架可以将座椅、线束和其他部件固定在合适的位置，并降低质量。

“轻量化是增材制造的完美匹配，”Techniplas副董事长阿维•赖辛托尔(Avi Reichental)说。Techniplas是宝马(BMW)、戴姆勒(Daimler)、菲亚特(Fiat)、福特(Ford)和其他汽车制造商的一级供应商。“它使工程师能够创造出更高效、更有机的结构，与传统设计的组件具有相同的性能，但重量要轻得多。”

例如，通过使用添加剂制造技术，通用电机的工程师最近产生了一种功能优化的金属支架，用于将车辆座椅连接到地板。他们将由八个部件组成的一个不锈钢件组成的箱子部分，较轻40％，更强20％。

福特的工程师最近打印了一种塑料电动驻车制动支架，比冲压钢版本轻60%。

生成设计软件的出现使汽车工程师更容易通过增材制造解决轻量化挑战。

Autodesk公司业务战略和市场开发高级经理Sean Manzanares说:“生成式设计模仿了自然的进化设计方法。工程师输入设计目标和参数，如材料、制造方法和成本限制。

Manzanares解释说:“与拓扑优化不同，该软件探索解决方案的所有可能排列，快速生成设计方案。”“它测试并从每次迭代中学习什么可行，什么不可行。生成式设计利用工程师输入的设计约束条件，如重量、强度和制造方法，生成一套符合这些约束条件的解决方案。”

Carbon公司负责企业合作的副总裁Paul DiLaura说:“你可以使用这个软件来设计一个优化的重量。”“这使得工程师能够在最大限度地提高刚度的同时降低质量。”

去年，碳推出了汽车应用的高强度材料。基于环氧的EPX 82已被Aptiuv，Ford和Lamborghini等制造商验证。他们使用该材料打印制动支架，删除插头，燃料盖，HVAC杆，电连接器，电子壳体和许多其他类型的汽车组件。

Carbon公司的设备使用数字光合成技术生产出具有高质量机械性能、分辨率和表面光洁度的零件。DiLaura表示，用这种工艺打印的汽车部件类似于塑料注射成型的部件，具有一致和可预测的机械特性。

DiLaura说:“汽车的不同部件对打印材料的性能有不同的要求。”“我们专注于电气和流体连接系统，这些部件可能非常复杂，很难用注射成型生产。添加系统的独特设计是有价值的。”

除了塑料部件，汽车工程师也在探索大量打印金属部件的新方法。

Desktop metal首席技术官乔纳•迈尔伯格补充道:“到目前为止，金属3D打印还仅限于航空航天和医疗设备应用。”“汽车行业一直无法证明其经济效益。但是，现在越来越多的工程师开始为增材制造进行设计，因为他们现在有能力大规模生产印刷零件。

迈尔伯格表示:“如今，大多数汽车制造商都将大批量小金属部件的生产外包出去。“在不久的将来，我们预计他们会要求他们的供应商生产更多的打印部件。”

为了解决这一生产理念的转变，Desktop Metal最近推出了一套印刷系统，该系统提供了与传统制造流程竞争所需的速度、质量和每件成本。

Myerberg称:“该生产系统比任何粘合剂喷射机竞争对手的速度快4倍以上，比任何基于激光的系统的速度提高了100倍。”它拥有32,768个压电式喷墨喷嘴，能够以每秒30亿滴的速度打印一系列金属，包括低合金钢、钛和工具钢。

“这台机器每小时可以打印60多公斤的金属零件，”迈尔伯格解释说。这意味着每年超过100吨，相当于一台冲压机运行数百万个零件。

“铝印刷是我们目前正在研究的东西，”迈尔伯格说。“我们希望在未来三年内推出商业化产品。”

迈尔伯格指出:“如今金属印刷最受欢迎的材料是钢，如17-4不锈钢和4140铬钼合金。”“它们与工程师过去曾在汽车行业使用的材料兼容。

“用这些材料印刷的部件可与现有材料焊接，可以安装机械紧固件，”Myerberg指出。“这使得工程师能够将这些类型的印刷部件丢弃到现有组件中。然而，印刷的任何压力部件必须具有与传统上铸造或盖章的部分相同的性能特征。“

在括号中

到目前为止，汽车工业中大多数可生产的增材制造应用都涉及基本部件，如金属支架或塑料夹。下一步是大规模生产其他类型的非结构部件。

“添加剂制造已经给了我们设计的工具，”福特电机公司的添加剂制造技术领导者“它开辟了很多设计自由。这使我们能够考虑使用有机形状，这是不可能做任何其他方式的。

西尔斯解释说:“零部件也可以进行优化，以实现最低的材料使用量和最大程度的轻量化。”“随着我们转向越来越多的电动汽车平台，重量变得至关重要，这一点非常重要。

西尔斯补充说:“在过去几年里，我们看到了添加剂材料性能的改善和印刷机器的更快速度。”“今天的挑战是超越简单的应用，比如打印小括号。

西尔斯解释说:“到目前为止，我们已经证明，该技术能够生产符合严格规格的部件，并始终如一地交付它们。”“我们现在开始将该技术应用于小众汽车上的可生产部件。”

西尔斯和他在福特高级制造中心的同事们正忙着试验来自Carbon、Desktop Metal、EOS、ExOne、惠普、Stratasys和Voxeljet等供应商的20多台打印机。这种多样性使工程师们能够研究用各种金属和塑料材料制造零件的新方法。

“目前正在开发的一项申请有可能保存[美国]超过200万美元，”SEARS。“作为[技术]变得更加实惠，[打印]部件将变得更加普遍。然而，由于大尺寸存在众多挑战，大多数努力将专注于更小，更复杂的部分。“

用传统的模压和冲压工艺制造托架、夹子和其他基本部件并不昂贵。相反，重点将放在更复杂、高价值的汽车零部件上。

Reichental说:“人们对引擎盖下的高温塑料部件，如尼龙制成的管道和歧管，有很大的兴趣。”其他潜在的应用包括动力总成组件、制动卡钳和减震器。

Reichental补充道:“随着汽车行业转向更多的自动驾驶汽车，客舱的用途和功能也将发生变化。”“提供定制化的打印部件的需求将会不断增长。用于增材制造的非结构性内部组件包括杯座、仪表板嵌件、门板和储物柜。”

technplas的工程师最近开发了一款概念车，展示了几种先进的功能，包括一个可减轻48%重量的后悬挂臂和一个座椅靠背，展示了增材制造如何在不降低性能的情况下减少装配时间、部件数量、材料使用和总成本。

这款概念车突显了该公司的Techniplas Prime电子制造平台不断扩大的能力。它利用了该公司的核心工程专业知识和制造设施，以及数十个合格的制造合作伙伴，如Nexa3D、NXT Factory和ParaMatters。

“Prime是该行业的第一个[设计平台]提供在线轻质解决方案，加油制造选项与即时定价引用，以及汽车行业的局部系列制造，”索赔。

technplas最近还推出了一款新的方向盘概念车，将其专有的认知照明技术与3d打印电子产品结合在一起。使用纳米尺寸的蜻蜓打印机，Techniplas的工程师只需一步就可以将导电路径直接打印到概念轮上。

Reichental说:“我们的认知方向盘概念仅仅是一段旅程的开始，我们相信，这段旅程将决定互联汽车时代电子、传感器、天线和智能照明的设计和制造方式。”“智能照明与附加电子设备的结合可以塑造和改变未来的移动，使定制和短期功能电子产品的创造成为可能，如导电几何形状、模压连接设备、印刷电路板和其他设备。”

大众汽车(Volkswagen)技术规划与开发主管马丁•戈伊德(Martin Goede)指出:“3D打印机可能不会很快制造出一辆完整的(大批量)汽车，但(打印)零部件的数量和尺寸将显著增加。”“我们的目标是尽快将打印的结构部件集成到下一代汽车中。从长远来看，我们预计部件数量、部件尺寸和技术要求将持续增加，达到每年超过10万个足球大小的部件。”

Goede认为，第一批用于大规模生产的汽车结构部件将在两到三年内打印出来。他解释说:“但是，一辆汽车中使用的6000到8000个部件并非都来自打印机。”“特别是像引擎盖这样的大型、不太复杂的部件，通过使用传统工艺仍然能够更快地生产，成本更低。”

戈伊德、西尔斯和其他专家表示，汽车行业对产量的要求阻碍了可用于生产的零部件的增材制造的广泛应用。

西尔斯表示:“当你必须每年生产20万到30万个零部件来支持一个汽车平台时，这项技术在经济上还不可行。”“但是，未来是令人兴奋的。

西尔斯预测:“在未来五年内，我们将看到一些新技术和工艺，使我们能够大量打印零部件。”“这将是汽车行业的游戏规则改变者，因为机器将能够支持下一个汽车项目。与传统的重新加工不同，它只需要加载不同的CAD文件并对新部件进行限定。这些机器将继续提供投资回报。

西尔斯指出:“动力系统和底盘的应用将推动大量金属增材制造技术的发展。”“内饰和装饰应用将继续推动塑料方面的极限。

西尔斯指出:“然而，自动化将是增材制造在大规模应用中的关键。”它将有助于解决不同和不一致的部件构建的问题。自动化将增加稳定性，使我们能够将3D打印从批处理过程转变为连续过程，这将在批量生产环境下工作得更好。”

控制可生产的印刷零件的质量是当今汽车工程师面临的另一个障碍。事实上，增材制造的最大好处之一——3D打印机上每个部件的独特性——是一个潜在的障碍，因为这意味着对一个部件的仔细分析并不能保证下一个部件也能被接受。

在印刷零件用于汽车的关键部位之前，工程师必须对生产出来的每一个零件进行严格的质量控制。

“我们在印刷部件上做了大量的拉伸测试和影响测试，看着材料的性能，”Ornl的高级研发工程师Mark Noakes说。“例如，一旦我们打印了一些东西，我们如何保证它是一个可接受的组成部分？”

“我们错误地认为，您印刷的是与设计的内容相同，”ornl的材料工程师添加Suresh Babu。“印刷涉及材料的非常复杂的温度曲线，由于多种加热，熔化和冷却事件，它们都彼此互连并且固有地依赖于彼此。

巴布指出:“挑战在于，这个复杂的过程控制着材料的基本物理特性，比如孔隙率、缺陷结构和不均匀的微观结构，这就给零件最终的性能带来了不确定性。”“这种不确定性意味着(汽车制造商)必须进行详尽的测试和检查。这将推高成本，并限制增材制造在现实世界中的用处。”

当印刷部分的几何形状发生变化时，Babu表示整个认证过程必须为新几何进行重新格式化。这就是为什么对材料实力分析的原因是ornl最近的研发活动的主要重点。

Desktop metal的迈尔伯格称:“用于座椅和其他汽车部件的小型金属支架只是个开始。增压和移动部件，如发动机阀门和传动齿轮，可以从增材制造中受益。金属印刷使工程师能够解决轻量化问题，并构建有助于冷却的内部特性。

迈尔伯格说:“动力系统中有很多小型钢铁部件。“我们看到差速器和车轮之间有很多应用。工程师们也在加固用螺栓连接在一起的部件。

Myerberg指出:“然而，可服务性是汽车制造商关注的主要问题。“许多工程师都在试图理解，当你用一个打印部件替换多个部件时会发生什么。例如，维修费用会增加还是减少?

迈尔伯格说:“最终，工程师们会喜欢将整个底盘或车身打印成白色。”然而，由于目前对建筑围护结构的限制，这至少还需要5到10年的时间。

迈尔伯格预测说:“但在未来十年，汽车行业制造金属部件的方式将完全改变。”“使用了几十年的沉重、坚硬的工具将成为一件人工制品。工具将是软的，并存在于服务器中。零部件将实时维护，设计改进将更快。”

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