從模型到終端：3D列印在汽車上已有的精彩應用大觀

科技 09-28

市場研究機構SmarTech發表的一份《增材製造在汽車行業的前景：下一個十年的預測》的報告認為，3D列印在汽車行業的應用蓄勢待發，並且前景廣闊。

根據SmarTech的報告，3D列印在汽車行業2014年的總市場金額為3.7億美金，到2023年有望達到22.7億美金。汽車在3D列印領域的應用從簡單的概念模型到功能型原型朝著更多的功能部件方向發展，滲透到發動機等核心零部件領域的設計。並且他預言，汽車行業研發領域將迎來金屬3D列印技術引入爆發期。

事實上，汽車廠商通過3D列印來完成汽車研發階段的原型開發與設計驗證早已不是新鮮事，更多的汽車廠商使用3D列印來製造各種模具、夾具等以用於組裝和製造過程。可以說3D列印在造型評審、設計驗證、複雜結構零件、多材料複合零件、輕量化結構零件、定製專用工裝、售後個性換裝件等方面的應用逐漸被越來越多的汽車廠家採用。

現在，我們通過3D列印在汽車行業的主要應用圖表上的邏輯順序與案例的結合，進行一場有關與汽車研發與製造技術的進化之旅行吧...

原型與設計驗證

下圖的Stratasys的汽車輪胎原型是為賓利定製的，輪胎與輪轂一次性製造完成，與原車的輪胎大小：1:1；材料名稱：VeroGrey；製造時間：188小時28分鐘；材料消耗：24995g；支撐材料消耗：27413g。

汽車墊子下方是硬的塑料，上面是可以摺疊的橡膠材質。當列印像1000x800x500mm這樣大型的產品的時候，3D列印設備就派上了用場，不僅可以1：1的尺寸製造汽車，航空航天行業需要的原型，而且經濟。

該原型材料：VeroClear, TangoBlackPlus; 製造時間：11小時49分鐘；材料消耗：TangoBlackPlus 4882g, VeroClear 848 g；支撐材料消耗：12936 g。

車身

Local Motors率先將直接數字製造（DDM）的概念用於3D列印汽車Strati,由美國橡樹嶺國家實驗室領頭研發的BAAM（大尺寸增材製造）設備可用於實際生產。每小時40磅碳纖維增強ABS塑料的沉積速率和大尺寸意味著增材技術可用於大型部件如汽車等的生產。

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Strati的車身主體是一體的，可以用3D印表機完整地列印出來。可拆卸的座椅可以讓方便客戶選擇自己喜歡的內飾顏色和材質來列印。其前大燈、後視鏡、擋風玻璃和電子部件中加入了碳纖維以提升其強度，實現了「創新性、複雜性和實用性之間良好的平衡。

與上述的Local Motors的塑料車身不同，超級轎跑Blade的車身是由鋁合金和碳纖維管像搭建積木一樣組成的。

Blade主體部件是鋁合金和碳纖維，非常輕，速度很快——它的加速度比邁凱輪P1更大，功率重量比是布加迪威龍的2倍。它能夠在短短2.2秒內從0加速至60英里每小時（邁凱輪P1的這個數字是2.8秒）。它的重量只有1400磅，並且安裝著一個4缸700馬力的雙燃料內燃機，可使用汽油或壓縮天然氣為燃料。汽車底盤由大約70個3D列印的鋁節點組成的，工人手工組裝該底盤前後歷時僅30分鐘。而底盤本身的重量只有61磅。

車內飾

關於3D列印用於汽車內飾，甚至是外飾的話題，我們直接上美圖。

標誌

寶馬

賓利

功能零件

汽車座椅

豐田汽車與Materialise共同設計的汽車座椅以使得座椅重量更輕，同時舒適感更強。汽車座椅低重力密度區域的鏤空處理帶來雙重的好處。第一個方面，創造了更大的散熱能力。第二個方面，節省大量的材料。事實上，汽車座椅的重量減少了高達72%，比原來輕了18公斤。

發動機缸體

歐洲賽車隊通過3D列印技術改善他們賽車的發動機性能。這個項目由位於加利福尼亞的聖克拉拉的FIT Technology Group技術部門來完成的，FIT通過SLM選擇性激光融化增材製造技術來製造出新的發動機氣缸蓋。

通過選擇性激光熔化方案顯著提高氣缸蓋的表面散熱面積，減少振動和重量。結果是減少了66％的氣缸蓋重量，從5095克到1755克，並且體積也從1887立方厘米減少到650立方厘米。而氣缸蓋的表面面積從823平方厘米增加到6052平方厘米，主要是通過晶格結構帶來的複雜的組織相比，這帶來了更有效的冷卻性能，而冷卻性能對賽車的性能表現至關重要。

下圖為【恆利智造】SLS系列工業級鑄造專用3D列印設備。

使用激光粉末快速成型技術的工業級 3D 印表機採用激光燒結粉末材料，如精鑄蠟粉、PS 粉、尼龍粉、覆膜砂等。成型時先在工作台上鋪上一層粉末材料，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對製件實心部分所在的粉末進行燒結。一層完成後，工作台下降一個層厚，再進行下一層的鋪粉燒結。如此循環，最終形成三維產品。

在汽車應用方面，對汽車新產品開發過程中的設計功能驗證，檢驗零件製造的可行性和可裝配性，尤其是特別複雜零件的試製生產和快速翻制各種經濟模具。可直接列印出砂芯、蠟模等應用於鑄造工藝，生產出合格的零件。

電容

之前3D列印技術一般需要對電池的不同組成部件分別進行單獨列印，例如電池所採用的陰極、陽極以及電解質等均需要單獨列印。3D科學谷認為Graphene 3D實驗室可以進行的多種材料同時列印，大大簡化了電池的3D列印過程，在一次列印過程中就可以完成整個電池的列印工作。

多功能結構電池一經推出便吸引了大量研發團隊的關注，其中就包括沃爾沃汽車公司。多功能結構電池研發項目的主要目的就是為車輛電池提供一種具有革命性意義的電能存儲方案。

水泵輪

下圖的這個部件是用選擇性激光熔融（SLM）技術製造的，該技術主要通過使用激光融化金屬粉末製造3D對象。製造完成的水泵輪被安裝到一輛寶馬DTM賽車的動力系統中。這使得寶馬公司能夠快速迭代水泵輪，甚至如果需要的話可以根據具體的比賽條件進行定製。而且無需生產模具，零部件修改需要的成本接近於零。

散熱系統

熱交換器的技術發展在過去20年里幾乎可以說是停滯狀態，由於傳統的、減材製造方法對加工帶來很多限制。隨著3D列印粉末床選擇性金屬融化技術的發展，通過增材製造的方式生產的熱交換器不但減少了重量，同時提高了熱交換接觸效率，提升了熱交換器的整體性能。

其他零件

賓利在Speed 6概念車上大膽嘗試3D列印技術,其中Speed6車門的鉸鏈就是用金屬3D列印的，其鏤空的結構看起來就像是一面抽象的英國國旗。

仿生學與未來汽車

Soulmate是德國博世、EDAG和製造商之間的合作項目結果，EDAG和博世親切地稱其創作的車為「Soulmate」，Soulmate翻譯成中文不僅僅是知己，更是靈魂伴侶，用來比喻車，可見這輛車對主人意識的感知程度是不一般。而這也意味著未來的車將全面接入IoT物聯網系統。如此知性又感性的概念車，3D列印可以說在其中發揮了極大的長處。

輕量化是未來汽車的一大特點。EDAG的設計師從葉子中汲取靈感，把輕量級外殼做到了極致。它的仿生靈感的「骨架」結構完全是3D列印，並覆蓋汽車外層。經過拓撲仿生學優化的車的骨骼結構在承載力低的地方減少材料的使用，在承載力高的地方提高材料的密度，從而成為一種輕質、高效的汽車。重量輕、效率高，且無任何浪費。