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3D打印技术颠覆汽车制造业
作者:李永钧
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三维打印机展厅
三维打印机, 快速成型机, 3D打印材料/光固化材料, 快速成型制造软件, ...
3D 打印技术又称为“快速成形技术”或“增材制造技术”,诞生于20 世纪80 年代末。主要是一种以数字模型文件为基础,将计算机设计出来的图形数据导入3D 打印设备,打印机内装有粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过电脑控制将材料叠层添加构造三维物体,最终把计算机上的蓝图变成实物的数字化、智能化增材制造技术。

3D 打印技术需得到重视

前不久,一场别开生面的3D 打印技术展在英国伦敦举行。展览向人们展示了各种利用3D 打印技术打造的前沿产品,展现了这一创新技术在汽车、医疗、影视等诸多领域的无限潜力。

从国际层面看,3D 打印已从一个流行的概念变成了一个新兴行业。美国总统巴拉克奥巴马在国情咨文中提到这项新技术,并希望3D 打印成为令美国制造业重新焕发出活力的重要推动力。2010 年年初,世界首款3D 打印汽车Urbee 在美国面世,它是一款混合动力汽车,绝大多数零部件来自3D 打印,耗时2500 小时。据这款车的制造者介绍,将量产这款轿车,并透露该车成本为5 万美元。

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Urbee

Urbee 的造型很奇特,它只有3 个车轮。这种平扁的造型使其风阻系数达到了0.15,这在汽车工业设计中是个非常出色的数字,使其最大程度避免空气阻力。而三轮车设计也是基于这一点的考虑。在动力方面,Urbee 采用的是混合动力系统,两台电动机加一台发动机,发动机使用的是乙醇燃料。电池则可以通过Urbee 顶部的太阳能面板充电。总之一切都是为了最大程度节省燃料消耗。

从国内情况看,一些跨国公司也在尝试将3D 打印技术应用于汽车制造过程之中。通用汽车中国前瞻技术科研中心已将这一技术引入,帮助开发汽车模具。据介绍,以往研发一款新车,制造一个零部件,仅开模就需要至少两三周时间,现在利用3D 打印技术,制作时间缩短到一两个小时。尽管通用汽车目前还尚未直接打印汽车,但这种前期的尝试无疑可为未来的大规模应用积累经验、培养人才。

对我国汽车行业而言,3D 打印技术或将引发一场革命,改变传统制造模式,应该引起汽车企业的高度重视。

技术优越性

与传统制造业的“减材制造技术”相比,3D 打印技术的魅力主要在于,3D 打印技术可直接从计算机图形数据中生成任何形状的零件,具有制造成本低、研制周期短、生产效率高等明显优势。3D 打印已成为引领未来全球制造业发展趋势的关键词。

与传统研发手段相比,3D 打印技术生产汽车零部件可快速成形,运用快速成形技术在设计早期验证产品装配可行性时,能及时发现产品设计差错,缩短开发周期,降低研发成本,快速验证关键、复杂零部件或样机的原理及可行性,例如缸盖、同步器开发以及橡胶、塑料类零件的单件生产。它无需金属加工或任何模具,免去了模具开发、铸造、锻造等繁杂工序,省去试制环节中大量的人员、设备投入。

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据调查,目前国内零部件模具开发周期一般在45 天以上,而3D 打印技术可以在没有任何刀具、模具及工装夹具的情况下,快速实现零件的单件生产。根据零件的复杂程度,需1 ~ 7 天, 与传统铸造或锻造零部件相比,3D 打印技术具有绝对的高效率。

目前3D 打印设备所使用的原材料并不局限于树脂或工程塑料,金属材质同样可以进行3D 打印,快速成形。金属材质通过激光或电子束直接熔化金属粉末,逐层堆积金属,形成金属直接成形技术。这项技术在汽车零部件领域的应用显现了很大优势:一方面,可以直接制造复杂结构的金属零部件,免去了开发模具,再制造零部件的工序;另一方面,3D 打印目前的技术水平可使金属零部件的力学性能和精度达到锻造件的性能指标, 这样也就保证了汽车零部件对于精度和强度的需求。

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一旦3D 打印技术大量使用,汽车生产环节传统的制作模具的环节可以被完全替代,生产周期和成本有望大幅下降。在新车量产前,开发大量模具耗时、费钱,而如果利用3D 打印制作模具,有望使汽车制造工艺做到又快又好。而对于一些小众需求, 汽车企业也可以考虑。比如,消费者希望让自己新车门把手与众不同。现在这样的需求是不可能满足的,因为制作一个新把手就要开个新模具,其成本数十万元计,如果能够利用3D 打印, 那么成本只增加了一点点。

目前,国内已有汽车零部件企业通过3D 打印技术制作缸体、缸盖、变速器齿轮等产品用于研发使用。美国福特汽车公司已经试图大量运用3D 打印技术,已知应用了该项技术的零部件包括福特C - MAX 和福特福星混合动力车里的转子、阻尼器外壳和变速器、福特翼虎复合动力车使用EcoBoost 四气缸发动机和福特2011 版探险家的刹车片。日本的小岩公司已经能使用3D 打印机制造涡轮增压器等。

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行业影响力

在美国,3D 打印技术已经被广泛应用于尖端武器制造、航空航天等军事领域。在我国3D 打印技术已被全面应用于歼- 20 隐形战斗机和歼- 31 第五代战斗机的研发中,3D 打印技术正在制造我国空军发展的“中国速度”。

为推动国内3D 打印技术产业化,促进3D 打印技术与传统制造技术的有机结合,由亚洲制造业协会联合华中科技大学、北京航空航天大学和清华大学等权威科研机构和3D 行业领先企业共同发起的中国3D 打印技术产业联盟2012 年在北京成立。中国3D 技术产业联盟是全球首家3D 打印联盟,为了拓展3D 打印技术市场,该联盟正在着手制定推广计划,他们计划在三年时间内,将中国打造成为全球最大的3D 技术应用国家。汽车及其零部件制造产业是3D 打印技术的重点推广领域。

1. 加快汽车更新换代

由于3D 打印技术集概念设计、技术验证与生产制造于一体, 未来将会使更多的“概念汽车”梦想成真,并将极大缩小概念汽车从“概念”到“定形”的时间差,缩短汽车设计研发的周期, 从而加快汽车更新换代的周期。3D 打印技术会使赛车的技术研发和性能改进更加快捷,能将现代汽车制造技术发挥到极致; 3D 打印技术同样会使跑车、特种车辆的研发随心所欲,将使汽车具备更多功能,以充分满足人们的不同需求。总之,3D 打印技术的不断发展将使个性化的定制产品成为主流,在互联网和搜索引擎的联接下,社会需求将同社会制造无缝衔接,促成个性化、实时化、经济化的生产和消费模式,对汽车制造业产生很大的影响。

2. 简化生产环节

3D 打印将对传统制造业产生“革命性”冲击,其将取代模具、部件、半成品到成品等生产环节。传统的劳动力、设备投资、工人技能、生产型管理将变得不再重要。由此可见,3D 打印将对我国劳动密集型的汽车及其零配件产业带来较大冲击。

便捷汽车维修

3D 打印技术也会对汽车维修技术、维修方法和汽车备件库存带来影响。当高档轿车的贵重零部件如曲轴、缸体、缸盖出现磨损、裂纹等故障时,技术人员可使用3D 打印机来修复,延长关键零部件的使用寿命,降低维修成本,甚至直接把损毁的部件、紧缺的零件打印出来,减少备件库存和备件资金占用。当大型、不易移动的野外作业机械发生故障时,可以携带3D 打印机到施工现场进行维修。

当前,以3D 打印技术为重要代表的第三次工业革命初现端倪,3D 打印技术将生产制造从大型、复杂、昂贵的传统工业过程中分离出来,人类将以新的合作方式进行生产制造,制造过程与管理模式将发生极大变革。因此, 3D 打印在未来必将带来一场产业革命并深刻影响着汽车及其零部件产业。

存在问题

虽然3D 打印技术已成功地将传统复杂的生产工艺简单化,将材料领域的疑难问题程序化,拥有诸多优势,但就目前的发展来看,如何扩展3D 打印技术的应用还存在一些问题。受技术装备、新型材料、设计软件、质量安全和公共环境等制约和影响,目前仅适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的零部件和元器件的加工制造,还难以代替传统制造业大规模、大批量的加工制造优势。

对于3D 打印制作整辆轿车,一些专业人士也提出了不同的看法。“整辆车需要使用各种完成不同的材料,雨刷器的塑料就和中控台的塑料不同,而且还有大量的金属。如果要打印整台车,打印机就要应对所有材料,使他们都能适应打印的过程,并使这些材料实现其功能。”

由于汽车零部件产品的单价远低于军工产品,成本较高和打印材料种类较少制约了3D 打印技术在汽车零部件制造上的应用,目前仅用于新产品或关键零部件样机原型原理、可行性方面的验证。在需要验证零部件强度、刚性等物理特性方面应用不多,目前看,3D 打印技术取代传统铸造、锻造技术进行汽车零部件的大批量、规模化生产还不太现实。只有将3D 打印技术的个性化、复杂化、高难度的特点与传统制造业的规模化、批量化、精细化相结合,与制造技术、信息技术、材料技术相结合,才能不断推动3D 打印技术在汽车零部件产业的创新发展。

自主车企要敢于做实践者

今年全国“两会”上,科技发展、新能源以及由此引发的“第三次工业革命”议题再次受到热议。全国人大代表、中国工程院院士黄伯云认为,“第三次工业革命”就是互联网技术和可再生能源的整合, 在这场革命中,数字化、信息化、智能化、个性化的生产方式正在取代传统的人工、机器。时下刚刚兴起的3D 打印技术,集上述特征为一身,被称为“疯狂制造”。 当前,工信部高层已经表态将推动3D 打印产业化,科技部对3D 打印相关战略规划正在研究制定中。

对于中国自主车企而言,提升技术前瞻能力,并非跨国汽车公司的专利,也应成为自主车企打造竞争力体系的一部分。3D 打印技术之所以应该受到关注,并不是因为有国际惯例,从根本上来看,这是科技发展的新方向,是自主创新的一个新载体,关系汽车制造模式的震裂和重构,无不牵涉未来汽车制造业的发展,千万不可忽视。

事实上,从目前看,3D 打印技术的应用在汽车领域还处在萌芽阶段,在一段时间内还不具备规模生产的经济性。但这项技术一旦在未来某个节点上得到突破,将大大提高制造的生产效率。这些技术并非单一技术品种,而是由多种新技术集合而成。如果不及时跟踪,晚一步怕是要步步晚,最终可能丧失全部竞争力。 因此,在3D 打印技术问题上,自主车企要跟得上、跑得快。首先, 应收集这方面的信息,高层管理者跟踪、了解、关注这项技术目前的应用情况。其次,如果有机会,不妨去已经应用这项技术的汽车企业去参观学习。最后,积极参与、设立或联合设立这样的研发项目,进行前瞻性研究和开发。着力构建自己的技术前瞻竞争力,真正树立国际视野,紧跟世界新技术潮流。不要作3D打印这类先进技术的旁观者, 而要主动做实践者、甚至是引领者。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (2014-5-4)
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