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3D 打印或将颠覆传统汽车制造业

星之球科技 来源:国际汽车设计及制造2020-11-08 我要评论(0 )   

对于产业价值链来说,占据其“头部”才是真正的利润来源——产业微笑曲线挖掘3D打印技术的高附加值汽车行业正面临着百年来的巨变,从传统的动力总成技术向电气化的转型...

对于产业价值链来说,占据其“头部”才是真正的利润来源——产业微笑曲线


挖掘3D打印技术的高附加值


汽车行业正面临着百年来的巨变,从传统的动力总成技术向电气化的转型,从传统的交通工具向“第三生活空间”的转变,从传统的加工技术向新兴的制造模式转身……传统汽车以及新能源汽车对于轻量化生产工艺的共同需求,消费者对于定制化汽车的浓厚兴趣,加诸2020年新冠肺炎疫情对于行业的影响,都促使汽车制造商寻求更低的开发成本、更快速的研发周期以及更个性化的零部件产品以提升市场竞争能力。


汽车研发属于资本与技术密集的产业,新车的研发耗资巨大,一辆新车的研发成本大约在10-500亿元,其中很大一部分花在试制上面。为了降低试制成本,汽车行业很早就引入3D打印技术,主要用于汽车前端产品研发,工装的夹具、检具制造和个性化定制及改装。WohlersReport2020指出,2019年全球汽车产业以16.4%的占有率引领3D打印行业应用,紧随其后的是消费领域、电子领域和航空航天,分别为15.4%和14.7%。可见,正在经历100多年来最大规模转型的汽车行业,正在利用与时俱进的3D打印技术在市场上大放异彩。


上汽大众车身研发高级总监&教授级高级工程师沈卫东表示,造型是产品研发最前端的环节,传统的造型模型常常出现与实车效果相去甚远的问题,3D打印技术可以保证造型模型和实车一致,设计师可以更好地评判造型效果以确定造型方案。在零件的结构设计和技术验证方面,通过评价利用3D打印技术做出的样品,可以使模具工装的投入降低,从而将制造时间缩短70%,同时还能降低车重的15%,提高产品成熟度。在车身设计方面,3D打印技术更是有着颠覆性的思维,例如传统的制造工艺无法做出来的圆角,可以通过3D打印技术完美呈现,帮助设计师拓展想象力的边界。


在工装夹具和检具的制造方面,沈卫东例举了上汽大众在长沙总装工厂遇到的平整度控制难题。在传统的三坐标测量机无法完成的情况下,上汽大众利用3D打印技术快速制作了非标检具,很快解决了难题。对于个性化定制,除了安全件,3D打印技术都可以做出来,从接受客户订单到交货在一周内就能完成。对于3D打印如何从概念到实车安装的零件的制造过程,他还例举了具有代表性的戴姆勒三步走的策略:第一步是在一个庞大的零件数据库里,找到适合3D打印的零部件;第二步是概念验证,验证筛选出来的零件在经济性以及技术方面是否可行;第三步就是利用3D打印来实现数字化的零部件生产。


“对于产业价值链来说,占据其‘头部’才是真正的利润来源,如何在研发、品牌营销等环节通过技术占据一定的市场份额,是车企关注的焦点。3D打印以客户需求和产品功能为导向的设计理念提升了产品的附加值,其产品的更新速度对目前汽车工业的形势来说也有非常多的利好。不能说3D打印是拯救汽车工业的最大利器,但其带来的高附加值应用值得我们关注”,沈卫东在解释产业微笑曲线的时候说道。


工艺与材料双重挑战下的机遇


3D打印的技术类型主要有SLA、SLS、FDM、SLM、3DP等,成型原理分别是光固化成型、选择性激光烧结、熔融沉积、选择性激光熔融、立体喷墨打印等。选择合适的3D打印材料与工艺,对产出的零件质量至关重要,而决定用哪种工艺进行零部件的试制还需要一系列的性能验证,以及对试制费用进行比较。


东风汽车集团产品工程高级工程师陈龙举了用SLS工艺打印塑料进气歧管试制验证的例子:进气歧管主要由歧管上片、歧管下片、密封垫圈、螺纹嵌件、压管等5个部分组成,其本体材料是尼龙加30%的玻纤。需要验证的性能包括耐温性、耐压性、热稳定性、气密性、最小拉拔力、表面质量等,热变形温度需要在150℃以上,性能验证完成后需要从成本上来考虑使用哪种工艺。


“我们通过SLS工艺与硅胶模试制的费用进行对比,发现在设计研发阶段,采用SLS工艺进行小批量试制,在成本上具有一定的优势”,他告诉我们,“并非所有的3D打印零件都可以直接满足后续需求,很多情况下需要进行二次处理,例如歧管内壁采用树脂浸渗处理来保证光洁度需求,歧管上下片整体成型保证密封性。后续还需要通过机加工对装配面进行处理才能进行后续的装配应用。”


“目前,我们在3D打印的应用过程中主要遇到两个难点,一个是全彩3D打印在颜色纹理方面还需要提升,以满足汽车厂商对于汽车造型验证的需求。另一个是橡胶3D打印材料在耐热性方面还有很大的提升空间,以满足汽车设计验证过程中对于橡胶材料的需求”,陈龙如是说道。


3D打印并不是最近几年才兴起的,它起源于上世纪80年代末,其在汽车研发的高效应用让人们不禁会把目光投向汽车制造领域。一汽大众(长春)高级工程师吴宏涛谈到,3D打印在批量汽车制造上的应用主要受制于两大因素:一方面,汽车零件生产还是以模具为主,因为对于大批量生产,模具的单件成本更低,成型效率更高;另一方面,由于3D打印层与层之间大部分是靠材料自身的重力堆叠在一起的,这使得同材料的3D打印件组织致密度无法与模塑件相比,其性能表现与实际的工艺要求还存在差距。


3D打印作为高新技术产业,研发投入、技术发展对于产业规模的拓展具有关键作用,如今3D打印技术在汽车行业的渗透越来越明显。据悉,截至2019年底,美国通用汽车已拥有17台StratasysFDM工业级3D打印机,并通过3D打印为其生产线提速、减重和提升成本效益。2020年6月,宝马集团斥资1500万欧元开设新的增材制造园区,推动公司在汽车增材制造领域的蓬勃发展。


正如吴宏涛对3D打印行业未来展望时所说,“从汽车行业看未来3D打印技术的发展趋势,相信未来将会诞生机械性能更好并且更便宜的材料,打印零件的表面质量将会更好,成型速度也将更快,设备参数将走向开源化。”未来3D打印技术能发展得多快,应用的行业领域能够拓展得多深多广,我们将拭目以待!


“颠覆”是我们现在谈论得非常多的一个词,3D打印脱离了传统制造加工的束缚,也颠覆我们对传统制造业的理解。抛开传统加工中对模具的依赖,3D打印凭借更高的设计自由度、更短的产品开发周期让其在复杂的零件加工领域备受青睐。近十年来,3D打印市场的年平均增长率基本保持在25%以上。据WohlersReport2020数据显示,2019年全球3D打印市场总值达到118.67亿美元。


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3D打印激光激光技术

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