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3D打印技术在汽车制造中的应用及中国汽车业的机遇与挑战

作者: 浏览:242 来源: 时间:2019-08-23

3D打印是一项新兴技术,其发展前景是令人欣喜的。3D打印技术的广泛应用必将推动各行各业的快速发展,汽车制造业在新的形势下也将发生翻天覆地的变化。中国汽车制造企业应该积极应对,加强新技术的研发与应用,成就自己的民族品牌。


3D打印零件  


  1986年3D印刷机在美国诞生,拉开了3D打印技术发展的帷幕。30多年来,3D打印技术得到了飞速发展和广泛的应用,以至于英国《经济学人》杂志将其推崇为“第三次工业革命”,美国政府将3D打印技术作为制造业发展的首要战略任务。

  3D打印(通常也称为“增材制造”)技术发展到现在有多种技术途径,通常根据使用材料的不同和构建物体方式的不同进行分类,可分为光固化成型(SLA)、电子束自由成形(EBF)、直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化成型(EBM)、选择性激光烧结(SLS)、3DP等。目前3D打印技术已逐步应用于汽车、航空航天、船舶、医学、建筑、服饰、食品等多个领域。


  3D打印在汽车制造中的应用

  1. 3D打印汽车的发展历程

  2010年11月,世界辆3D打印汽车问世,这是由美国Jim Kor团队研发的采用3D打印技术制造的6︰1模型车,名叫Urbee。2013年初台原型车Urbee2诞生,Urbee2一半以上的零件是由3D打印的。

  2014年,辆3D打印电动车Strati横空出世,这是一辆只有40个零部件的3D打印汽车,整个打印时间仅44小时。

  2015年,美国DM公司打造了全球款3D打印跑车——刀锋(见图1),该车采用3D打印汽车零部件,然后人工组装而成。同年,三亚思海3D公司研发出了中国的3D打印汽车。

  2016年,全球七大3D打印概念车面市,世界各大品牌汽车纷纷推出了自己的最新设计。2019年,国内XEV公司设计出世界款量产3D打印电动汽车。

  2. 3D打印技术在汽车业中的应用现状


  虽然关于3D打印汽车的新闻屡有报道,但是细心的读者不难发现,3D打印汽车这个概念的宣传力度大于实际应用,以上述七大概念车为例,3D打印组件仅占整车中很小的一部分,而且还是非承力件。因此有分析人士认为,3D打印汽车更多的是在宣传一种技术发展理念,通过这一理念来拉动消费,并不是真的要采用3D打印来生产汽车。

  然而,3D打印作为一项新兴技术有其独特的优越性,依然在汽车业中有着许多成功的应用案例。下面从汽车设计、制造和消费的不同阶段来分析3D打印技术在汽车业中的应用。

  在汽车设计阶段,3D打印可快速制作概念模型和功能原型,在产品研发初期大大缩短汽车零部件的验证时间,从而缩短汽车的研发周期,并尽可能地降低由于设计方面的原因而造成的成本浪费。例如,兰博基尼采用3D打印技术研制引擎管路,实现了用较短的时间完成复杂结构的制作。

  在汽车制造阶段,汽车的外饰包括车灯、保险杠、徽标、挡泥板等,汽车的内饰包括声学系统、方向盘、仪表板、操作杆等,以及底盘、车身等都成功应用了3D打印技术。据报道,3D打印技术的应用在缩短生产周期、降低生产成本方面发挥了重要作用。

  汽车消费阶段,也就是说汽车进入消费者手中,厂商需要对其车辆进行维保、修复,在这一领域,3D打印技术可谓大展身手。比如,保时捷采用3D打印技术为经典汽车生产零备件,奔驰公司采用3D打印的零部件修复20世纪50年代的跑车,宝马公司采用3D打印零件修复老旧座驾。此外,在汽车零部件的供应链中,应用3D打印技术已是目前各大公司的追求目标。

  3. 3D打印是噱头还是工业革命?

  在3D打印技术发展的如火如荼的时候,也有业内人士指出,3D打印技术在批量生产方面还无法与传统工业相比,标准化作业还无法大规模实现,打印材料远未达到广泛使用的要求,高性能零部件的打印技术还没有形成,复合型人才的缺乏等,都限制了3D打印技术的推广应用,更不要说3D打印整车了,3D打印汽车也只是一个博人眼球的噱头而已。

  另一方面的声音就很乐观了。早在2014年就有学者撰文《3D打印技术颠覆汽车制造业》,提出了3D打印技术将引领汽车制造业的观点。2016年,《美国汽车新闻》评选出全球十二大汽车行业的颠覆者,3D打印位居榜首。由此可见3D打印技术的先进性。

  3D打印是“噱头”还是“工业革命”?我们应该客观评价3D打印技术的发展与应用,既不要抵触,也不要神话。作为一种新兴的科学技术,3D打印有着传统工艺无法比拟的优势,但不可否认也存在无法克服的缺陷,我们应该做的是尽可能的发挥其长处,在生产中取得更高的效益。

  4. 3D打印汽车的发展前景

  (1)分析3D打印技术在汽车行业中的应用前景之前,不妨先分析一下汽车未来发展的方向特点,归纳起来有以下四个方面。

  新能源:2019年7月1-3日,世界新能源汽车大会在海南博鳌隆重召开,大会聚集了全球专家和精英,就新能源汽车的创新、市场、产业转型升级等问题进行研讨。近几年来,我国的新能源汽车产销量持续增长,而新能源汽车中纯电动车占比超过80%。在全球汽车产业转型升级和环境持续改善的产业要求下,新能源汽车将是未来汽车产业的发展方向。

  轻量化:世界各国为提高车辆燃油效率,减少二氧化碳的排放量,纷纷制定法律法规,以促进改善环境。在全世界节能减排、保护环境的大背景下,汽车轻量化成为汽车行业发展的重要方向之一。

  智能化:汽车产业的智能化可分为两个方面,智能制造和智能驾驶。智能制造是制造业的发展目标,汽车行业自然也不例外。华为5G+C-V2X车载通信技术的开发,为智能驾驶提供了新的技术保障,未来的汽车有可能像科幻片中的汽车一样,我们坐在车里,说出目的地,汽车会自动、安全地将我们送到。

  个性化:个性化定制彰显个性魅力,满足不同消费者的个性需求,将是未来汽车开发的方向之一。在传统生产模式下,个性化定制是一部分人的消费专利,随着科学技术的发展,个性化定制必将走入寻常百姓家。

  (2)通过以上对汽车未来发展方向的分析,汽车的研发与制造会发生以下几方面的变化。

  汽车构造的重新设计:有人曾经设想,电动汽车的研发,取代了传统的发动机,整个汽车的构造发生了重大变化。可将电机装入轮毂中,由导线连接电池,传统的发动机系统和传动系统等都不需要了,取而代之的是车载通信、音响视频系统等。

  复杂构件的制造:汽车轻量化不仅可以从使用轻型材料来实现,还可以从复杂构件的设计上达到减轻重量的目的。

  私人定制:汽车在保障必要功能的前提下,其外观和个性需求受到消费者的重视,也是争夺市场的有利武器,因此私人定制也是汽车制造的重点关注方向之一。

  (3)综上所述,3D打印技术的优势正好将在未来汽车制造业中大显身手,主要有以下四个方面。

  缩短研发周期,降低研发成本:3D打印在未来汽车研发阶段的应用就不仅仅是单个零部件的试制,而是整个车的结构、布局的研发,大概还没人知道未来汽车是什么样子,谁能占领3D打印技术的制高点,谁就能用更低的研发成本,不断地推陈出新,快速占领市场。

  汽车轻量化的有力武器:以往的汽车轻量化多注重轻型材料的选择,受到生产工艺的限制很难从结构上做文章,而3D打印技术打破了这一瓶颈限制。3D打印在生产多孔、空腔类复杂结构的零部件方面有其独特的优势,为汽车轻量化开辟了新的发展方向。

  个性化设计:3D打印不需要传统的模具设计与制造过程,而只需要CAD设计图形即可,因此可以使用不太高的成本来满足不同客户的个性化需求,这些个性化设计包括车型、车饰等等。例如图2这款造型可爱的汽车,会受到众多爱美人士的喜爱。

  零部件供应:3D打印零部件的供应依然是未来汽车业的重要发展方向之一,与以往不同的是,在3D打印技术日渐成熟之后,3D打印所能提供的零件种类会越来越多,今后在整个零件供应链中,尤其是已经停产的车型,可能将不再有实物零件的存储,而只要保留各零部件的相关数据,需要时打印就可以了。

  中国汽车制造业的机遇与挑战

  3D打印技术虽然发展的时间不长,但发展速度之快令人惊奇,在汽车制造业中的应用也越来越广泛,这种形势会对中国的汽车制造业带来哪些影响呢?

  1. 中国汽车制造业的发展机遇

  目前在普通消费者眼中,国产汽车还普遍处于较低端的市场,其性能和品牌影响力远不如进口汽车品牌,在传统生产工艺条件下,国产汽车一直处于追赶地位。在新的形势下,全球汽车企业都面临着转型升级,恰逢3D打印技术的应用,将世界各国的汽车生产企业拉到了同一起跑线上。而在3D打印技术上,中国处于世界前列,部分技术还处于水平。面对新的形势,中国企业似乎还处于优势地位。抓住这一机遇,充分发挥3D打印技术的优势,助力汽车产业的转型升级,将有望在不远的将来成就自己的世界品牌。

  2. 中国汽车制造业面对的挑战

  中国车企在面临新的发展机遇时,同样也面对着巨大的挑战。一方面在传统汽车制造业领域我们相对落后,即使在同一起跑线上,对手同样强大;另一方面,任何一项新技术的应用都存在一些潜在的风险,比如新技术与传统工艺的兼容性、适用性、产品的可靠性、人员对新技术的适应性等,都会影响整个产业的发展。因此,中国车企面临的挑战同样不可小觑。

  结束语

  3D打印是一项新兴技术,其发展前景是令人欣喜的。3D打印技术的广泛应用必将推动各行各业的快速发展,汽车制造业在新的形势下也将发生翻天覆地的变化。中国汽车制造企业应该积极应对,加强新技术的研发与应用,成就自己的民族品牌。

来源:《世界制造技术与装备市场(WMEM)》