3D打印成汽车轻量化的“潜力股”，盘点不同车企的技术和趋势

近年来，汽车轻量化已经成为未来行业内发展的趋势。新能源汽车逐年销量上升更是加剧了轻量化在汽车领域的跨越式推进。一体化压铸、3D打印、半固态成型等技术也一次次成为业内人士关注的焦点。

新能源汽车的生态系统是开放的，是变化和动态的。传统汽车从设计定型到新车出厂通常需要三年时间，在此期间针对这些零件生产的工艺与供应链都进入到了固化状态。而像特斯拉这样的车企，其软件几乎每个月都会更新。数字化的基因可以说根植在新造车势力的血液中。

3D打印带来的数字化，让人类第一次能够产生真正的经济净收益门槛：通过将客户行为与生产者行为同步，以需求为导向，从生产过剩转向需求驱动的生产。

3D打印是一种带有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的，不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造，这使得3D打印与新能源汽车具有制造基因方面的“天然契合”。

3D打印具备传统制造工艺无法比拟的技术优势，可在不牺牲结构部件性能的情况下，实现部件的整合设计并制造，为汽车制造提供新的设计思路和发展途径。可以预估3D打印技术在汽车领域的应用前景将一片光明。

升华三维作为具备材料开发、设备研发生产、系统软件开发到脱脂和烧结工艺为一体的金属/陶瓷间接3D打印解决方案供应商。在助力汽车工业创新发展方面，升华三维将以增材制造“数字化、个性化、定制化”的技术特点，通过PEP技术工艺帮助汽车生产制造商创造更多效益与价值。

对于汽车市场而言，特别是高级跑车或赛车，性能高于一切，比如轻量化设计可以减轻车辆重量等，从而增加可用功率，降低能耗，实现对未来汽车至关重要的减排目标。通过增材制造和拓扑优化的结合，凭借3D打印在定制和轻量化上的优势，其在汽车改装及生产制造领域的发展已初现趋势。金属3D打印技术已被运用到定制轮毂，高性能冷凝器和刹车卡钳，轻量化支架结构件等；亦有很多国际汽车生产商如奔驰、宝马、奥迪、丰田等已经在汽车的研发阶段大量使用3D打印技术。有数据统计，3D打印在汽车行业的应用，占整个应用行业的30%以上。特别是在赛车应用中非常广泛，像NASCAR和一级方程式赛车一直在采用3D打印技术。

汽车行业需要利用3D打印技术的具体优势来提升产品设计，然而要想将3D打印用于具体的汽车零部件生产，需要突破的一大挑战是经济性。目前，用于3D打印的汽车零部件大多数是小批量的十几个，要增加到汽车行业普遍所需要的高达100万的产量，3D打印必须要突破经济性的障碍。

下面将通过介绍3D打印技术在大众、福特、宝马等企业的最新应用进展，来探究3D打印技术在新能源汽车领域的应用现状和发展趋势。

大众在2019年就发布了将在大众汽车上使用惠普金属3D打印技术的计划，首先是进行大规模定制和装饰部件的制造，并尽快将惠普的HP Metal Jet金属3D打印的结构部件集成到下一代车辆中，并着眼于不断增加的部件尺寸和技术要求。

大众的目标是每年制造5～10万个足球大小尺寸的零件，这些零件可能包括变速杆和后视镜支架等。增材制造因其在轻量化方面的优势而在不断增长的电动汽车生产领域中获得部署。目前，大众成立了加州创新与工程中心（IECC），推出了一款集成 3D 打印的独特概念车，并很快宣布与 GKN 和惠普一起在HP Metal Jet上生产了 10000 个金属零件（如图）。正是这一里程碑为大众与惠普继续合作，并为大众的3D打印结构部件集成到其下一代汽车中铺平了道路。

金属粘结剂喷射3D打印技术将推动大众制造中3D打印技术迈向成熟，从而使该技术具有成本效益。为了利用粘结剂喷射的优势，大众正在扩大与惠普的合作伙伴关系，以布局更多产能，并引入西门子为该技术提供专门的软件。

通过西门子的自动化和软件解决方案，大众将能够更快、更灵活、使用更少的资源来开发和生产零部件。到目前为止，使用粘结剂喷射制造的第一批汽车零部件已送往大众的奥斯纳布吕克工厂进行认证。该零件用于大众T-Roc敞篷车的 A 柱，据相关资料显示，其重量是由钢板制成的传统部件的一半。

福特在2021年宣布，计划在规模化汽车制造中采用3D打印技术。福特之前在3D打印技术方面取得了一定程度的成功，不过当时仅涉及较低的产量。但福特现在的技术远不止于小批量的3D打印生产应用，其正在开发的3D打印零部件将用于福特“非常受欢迎的车型”的全面生产。

福特用于粘结剂喷射金属3D打印的粉末是Al6061，而成功将铝应用于汽车零部件3D打印生产的意义是重大的：从传统制造工艺到3D打印工艺的转变将通过简化设计来减轻重量、节省空间、提高零部件性能，以及节省成本和时间。

针对3D打印下一代电动机，福特还与蒂森克虏伯、亚琛工业大学组成联盟开始了一项研究，以开发下一代电动汽车灵活、可持续的生产工艺。目前，开发的项目名称是HaPiPro2，指的是发夹技术。发夹绕组是电动机领域中的一项新技术，矩形铜棒代替了缠绕的铜线。该过程比传统的绕线电动机更易于自动化，并且在汽车领域特别受欢迎，因为它可以大大缩短制造时间。

电动汽车的电动机定子绕组的开发通常是众所周知的瓶颈，经典的圆线绕组有许多限制：铜导体、绕组工艺与槽口几何形状必须匹配；彼此缠绕的导体形成牢固的图案；此外，圆形导线（经典的导体形状）在几何形状上与梯形凹槽的配合不佳，结果每个凹槽都被铜填充了一半，从而形成了空隙。相对较小的导体横截面可确保较大的电热损耗。

3D打印几乎无需模具就可以避免这种开发障碍。由于传统的生产涉及复杂的弯曲和焊接过程，所以3D打印带来的时间节省，尤其是在所谓的发夹绕组上得到了回报。

让铜的填充率更高，3D打印在这方面具备独特的优势。目前，市场上熟知的L-PBF选区激光金属熔化3D打印，以及粘结剂喷射金属3D打印，均是最为主要的应用技术。

通过3D打印电动机铜线圈绕组，改变一百多年来的电动机线圈设计思路。传统工艺的铜丝或者铜片，在狭小的电动机定子、转子空间内很难展现最优设计，而3D打印将带来一定的改变。

宝马于2019年3月在慕尼黑举行了IDAM联合项目启动会议，旨在为增材制造业进入汽车系列生产铺平道路。IDAM的目标是推动“汽车领域增材制造（AM）技术的工业化和数字化”。IDAM的目标是建立两条试验线，一条在GKN的波恩工厂，另一条在宝马集团的慕尼黑工厂。IDAM团队促使增材制造技术向符合特定要求的方向发展，以生产质量一致的零部件以及基于特定组件的个别备品备件。目标是每年采用3D打印技术制造至少50000个批量生产的零部件和10000多个备品备件。IDAM生产线包含一个开放式体系结构，可适用于任何LPBF系统（选区激光金属熔融3D打印技术）。

2020年，宝马投资1500万欧元（超1亿元人民币）的慕尼黑3D打印工厂正式启动，这奠定了宝马集团在汽车行业增材制造技术领域的领先地位。

在德国IDAM计划支持下，宝马慕尼黑的3D打印工厂还建设了模块化和几乎完全自动化的3D打印生产线。该生产线涵盖了从数字化设计到零部件3D打印制造再到后处理的整个过程。由于生产线的模块化结构，必要时可以升级换代，所以各个模块可以适应不同的生产要求，还可以灵活地控制工艺步骤。通过综合考虑融入汽车生产线的要求，项目合作伙伴将流程链中的手工部分从目前的约35%减少为不到5%。与此同时，3D打印金属零部件的单位成本减半。

以上案例说明，目前很多新设计尽管还没有进入产业化，仍处于初始阶段，但如果制造企业不尽早做出准备，并进行备品备件及原型的创新，从创新思维的设计入手，那么这些企业将被其他企业超越，并会很快发现自己已经处于竞争劣势。

Extol公司是一家位于密歇根州西部的汽车制造商，致力于推动3D打印在电动汽车行业的应用是他们公司服务的重要组成部分。谈及3D打印在汽车零部件的制造方面，该公司的高级应用和销售工程师 Andrew Roderick 评论说：“车辆设计周期变得越来越快、越来越短。就像过去汽车制造商可能需要四年时间来设计和发布一辆新车一样，现在这个周期缩短到两年左右，这就是电动汽车的发展模式。”

随着电动汽车的发展，对铝合金零部件的需求也大幅度增加。AlloyEnterprises 公司开发了一种名为选择性扩散粘合的工艺，这是一种铝片层压形式。铝合金材料既坚固又轻巧，它的强度重量比是钢的两倍，而且无限可回收，非常适合汽车零部件的制造。但就铝的增材制造而言，并没有真正的工艺专为铝材设计。所以他们开始研究这个问题，他们决定放弃铝粉打印的模式，并发明了这种新颖的铝原料，使用与铝箔和汽水罐相同的铝轧制工艺。Alloy Enterprises 公司采用这种原料，进行激光切割，在材料的某些区域涂抹抑制剂以形成支撑物，将片材堆叠起来，粘合它们，然后去除支撑物取出零件。该工艺可广泛应用于电动汽车部件制作上，如外壳、电子设备、带有冷却通道的部件和边缘模块化部件。

为了更进一步地接触到汽车客户，GKN Additive公司在靠近底特律地密歇根州奥本山开设了一个新工厂，该设施所做的大部分工作就是增材制造电动汽车零件。GKN 是一家拥有非常悠久的金属零件生产历史的公司，主要是冲压和烧结以及 MIM、金属注塑成型，但几年前，他们收购了位于加利福尼亚的 Forecast 3D，例如，拥有大量HP Multi Jet Fusion 打印机的合同制造商或服务机构，所以他们非常了解聚合物增材制造。

增材制造拥有缩短制造周期、一体化定制的制造能力，也许它进入传统汽车市场确实会受到一定的限制。但是南极熊认为，增材制造在电动汽车领域将会开启无限的可能性。未来，它不仅会改变制造座椅支架和电池的生产方式，也将改变这些车辆制造零件模式，以及制造的车辆类型。

来源：贤集网