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3D打印汽车零件大范围降低研发和创新成本

原创于: 2018-01-10 15:46:21

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日前,市场研究公司AlliedMarketResearch发布了一份汽车行业3D打印市场报告预测。报告指出,到2022年,全球汽车行业3D打印市场将达到23.91亿美元。在预测期内,欧洲将成为主要市场,其次是亚太和北美。

车企使用3D打印技术主要是基于新车模型和工具的应用。汽车市场竞争日益激烈,车企们纷纷开始寻求新的技术以减少材料的成本和效率的突破,因此,越来越多的车企开始采用3D打印技术来减少研发和创新成本。IDC在其2017年初发表的《世界半年度3D打印消费指南》中指出,产生大部分收入的3D打印应用领域集中在工业级3D打印领域。例如,2016年,汽车设计和快速原型打印贡献了最重要的收入(超过39亿美元)。

3D打印是一种更便于大众理解的通俗称谓,在工业专业术语中,3D打印被称为“增材制造技术”——它与传统“减材制造”相对应。3D打印技术大大降低了制造的复杂度。这种数字化制造模式不需要复杂的工艺、庞大的机床及众多的人力,即可生成任何形状的零件,使生产制造得以向更广的生产人群范围延伸。

跟传统技术相比,传统的机加工制造就适用于大规模、需要量产的部件,并广泛应用在几乎所有领域;目前3D打印适于小批量、造型复杂的非功能性零部件,大多在汽车、航天等领域内用于制造样件和模具等。从使用材料看,传统机加工可以使用几乎任何材料;3D打印技术目前使用的材料多为塑料、光敏树脂、尼龙和金属粉末等材料,受制较多。技术优点在于材料利用率超过95%以上,几乎不产生废料,且适用于复杂结构体等。

在制造工艺上3D打印技术显示出自己颠覆性的优势:

形状复杂性。传统机械制造是基于削、钻、铣、磨、铸和锻等减材制造基本工艺的组合;而3D打印技术是一体成型技术,主要采用“分层制造、逐层叠加”流程。几乎任意复杂的形状,只要在三维设计软件中设计出来,就能通过3D打印技术制造出来。

层次复杂性。传统加工技术难以实现的多尺度(宏、介、微观),而3D打印技术可以实现如原子打印、细胞打印等。

功能复杂性。对于结构复杂的零件,3D打印技术可以实现整体打印成形,避免了将一个复杂零件进行分拆制造后通过焊接成形而带来的质量增大和潜在的质量缺陷,甚至能够取消复杂零部件的装配,用在汽车部件上不但可以减轻重量,同时减少装配时间及改变部件连接缺陷。

纵观当今的汽车行业因为受制于其传统制造技术,从最初设计到投入生产的完整汽车开发过程通常需要大约38个月和数亿元的投入,而其中仅用于模具开发和制造的时间就占到16个月,费用更是亿元级别。并且由于开发时间长,传统汽车制造商很难准确预测38个月后产品发布时用户的行为,难以做到精确地映射产品。而传统汽车制造商受到帕累托原则的影响 - 即20%甚至更少的产品创造了80%以上的利润,对于像福特或通用这样的大型制造商来说,由于目前的生产方法所制造的产品容错能力几乎为零,因此其他80%的不成功产品纯粹是制造商的损失。
XEV”的电动车公司对外宣称其推出量产级3D打印汽车LSEV,并且这款新能源造车企业在还没有量产前就能获得大批量采购订单,并且数量还是7000辆之多。LSEV定位为城市多用途小型双座智能汽车,全部饰件为3D打印的非结构件。3D打印制造技术拥有无与伦比的灵活性,极为适合车辆不同设计风格与功能的个性化定制。

XEV电动车公司从诞生之初,就致力于把3D打印技术运用在量产汽车上,由于3D技术生产属于增材制造,不再使用模夹具,3D打印汽车的部件总数相比传统汽车会减少90%。

XEV在3D打印制造过程中,能够一次性制造出部件的内部支撑结构,而且没有额外成本,这是传统铸造冲压以及注塑制造方式无法完成的,这使得XEV制造出来的部件在结构强度上是普通金属材料的3-4倍,是注塑材料的10倍左右。

3D打印直接将虚拟的数字化实体模型转变为产品,极大地简化了生产流程,降低了研发成本,缩短了研发周期,使得任意复杂结构零件的生产成为可能,对面向功能的产品设计具有重大的推进作用。

汽车行业正在面临深刻变化,比如传统内燃机汽车正在向纯电动、混合动力、氢燃料动力电池汽车等清洁能源汽车方向转型,与此同时,汽车与智能网联技术的结合也越来越紧密。随着汽车“四化”发展,汽车外观、内饰、结构等都已发生变化,且这一过程正在加速。这些变化往往都是创新的、个性化的、小批量的,而这种情况需要用到3D打印技术提供足够的支撑和帮助。

目前3D打印技术大部分用于汽车主要还是新车研发测试模型或装饰上,主要还是因为:

1.3D打印技术受制于材料的性能,目前材料种类有待完善。

2.成本高,工业级3D打印机购置成本在数十万元到上百万元,应用成本过高是目前3D打印技术应用普及化及产业发展的重大瓶颈。

3.部件从设计制作到应用不是一个人能做到,需要汽车部件设计人员,材料研发人员,3D设计人员等组成团队共同协作才能完成,而针对汽车的不同部件用到的材料也不尽相同。

3D打印应用在汽车制造中需要先解决关健部件的材料研发生产,同时降低成本。2017年12月,工信部等12部门印发《增材制造产业发展行动计划(2017-2020年)》,行动计划明确提出,到2020年,我国增材制造产业年销售收入超过200亿元,年均增速在30%以上;要在汽车新品设计、试制阶段,利用增材制造技术实现无模设计制造,缩短开发周期。采用增材制造技术一体化成型,实现复杂、关键零部件轻量化;在专用材料、工艺装备等产业链重要环节关键核心技术与国际同步发展,部分领域达到国际先进水平。通过“增材制造与激光制造”国家重点研发计划等支持符合条件的增材制造工艺技术、装备及其关键零部件研发,研究将符合条件的增材制造纳入“科技创新2030-重大项目”支持范围。将符合条件的增材制造装备纳入首台套重大技术装备保险补偿等政策,加大扶持力度。

随着新材料的研发,产业合作、国家政策扶持、3D打印技术应用在汽车部件的量产上指日可待。但3D打印技术发展不只是这样。2015年,汽车行业专家陈光祖老先生谈到3D打印制件时,陈老说:3D打印让未来汽车个性化制造成为可能。汽车所有的部件都可以个性设计,然后通过3D打印制造出来组装,因为不是用相同的模具做出来的,所以可以有无限的设计想象空间。

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