汽車市場是全球最大的消費品市場之一,2020年全球將生產1.03億輛乘用車，其中內燃機車佔8190萬輛，市場佔有率為79.5%，新能源車（含混動，電動）為2110萬輛，佔20.5%，其中純電動汽車為410萬輛。到2030年，預計全球將生產1.2億輛乘用車，其中內燃機車佔960萬輛，市場佔有率為8%，新能源車（含混動，電動）為11040萬輛，佔92%，其中純電動汽車為5040萬輛。

      由於消費市場的昇級，汽車市場正面臨著越來越多的訂制化訂單的需求，而3D打印技術所能夠實現的高柔性和高復雜性的生產，恰好與汽車市場的訂制化需求有結合點。同時，3D打印企業也在致力於推動面向生產的增材制造解決方案，使得3D打印技術更加貼近於汽車制造業對質量、成本和效率的要求。

      兩年前（2017年5月），汽車制造商戴姆勒、飛機制造結構和制造系統的供應商Premium AEROTEC和工業級增材制造設備制造商EOS共同開展了『新一代增材制造（NextGenAM）『項目。該項目的目標是開發一條基於3D打印-增材制造技術的新一代自動化單元，該自動化單元能夠為航空航天和汽車制造業生產金屬鋁部件，並且成本效益超過目前的3D打印工藝。如今，戴姆勒公布了該項目兩年來取得的進展，就整體生產流程而言，這條3D打印自動化單元與現有的獨立3D打印系統相比，制造成本可降低多達50％。

      本期，3D科學谷將與谷友們進一步了解戴姆勒汽車試點的汽車零部件3D打印自動化單元所包含的制造技術，以及未來這樣的3D打印自動化單元與汽車制造的結合點。

圖片：戴姆勒已開始用3D打印自動化單元制造卡車配件，如3D打印柴油發動機支架。來源：DAIMLER。

進一步降低3D打印生產成本

全自動化的增材制造

      『新一代增材制造（NextGenAM）『項目中所打造的3D打印自動化單元是一條可擴展的增材制造生產鏈，完全采用自動化制造技術。也就是說，從3D打印零件數據准備，到粉末供應再到增材制造構建本身，包括組件與打印構建平臺的分離、熱處理、質量檢測，整個增材制造過程中的任何階段都不需要手動操作。

      自動化單元中集成的增材制造設備為EOS M 400-4，這是一款四激光器的選區激光熔化3D打印設備。自動化單元中的自動運輸系統和機器人確保了零件在自動化單元的每個階段的平穩移動。

      整個生產過程在沒有操作人員的情況下通過中央自治控制站運行，機器設備之間的聯網是系統的基礎，當生產訂單數據被發送到控制站之後，由控制站優先考慮各種制造請求，並將它們分配給3D打印設備。

      在構建過程中，管理人員還可以在移動設備上檢索制造狀態。完成整個生產流程後，產品質量報告將集中發送回控制站。生成數字雙胞胎所需的所有數據都可以在這裡被訪問到，因此通過該自動化單元制造的產品具有可追溯性。

可擴展的生產能力

      新一代增材制造（NextGenAM）項目展示了如何在批量生產中高效使用工業3D打印技術，並將其作為自動化生產流程鏈的一部分。自動化單元中集成了質量管理的連續3D數據，這是符合未來工業4.0的基准。

      這條自動化單元是可擴展的，即通過簡復制擴展工廠的增材制造生產能力。隨著自動化單元的擴大，增材制造成本在未來將進一步下降。如今，這一自動化單元所制造的部件已經能夠達到批量生產的質量標准。

      目前，戴姆勒汽車已經通過這條增材制造自動化單元生產汽車零件，首個通過該生自動化單元生產的是戴姆勒卡車柴油發動機的鋁支架。這些3D打印支架是卡車的更換配件。3D打印技術在制造備品備件領域具有優勢，與鑄造工藝相比，在無需使用模具的情況下金屬3D打印技術能夠實現零件的直接制造，對於那些需求量小的零件，采用這種方式制造更具有成本效益。

      目前戴姆勒巴士的3D打印能力中心正在評估用3D打印配件替換傳統配件的可行性。同時，戴姆勒乘用車分析團隊，也在考慮合適的潛在3D打印應用。

      戴姆勒股份公司未來技術主管Jasmin Eichler，增材制造也適用於新車（限量版）的最小批量生產，專門針對3D打印零件開發的生產系統，可以進一步降低生產成本並優化質量。此外，3D打印在車輛的先進開發中也具有特別意義，與傳統生產工藝相比，增材制造通常可以更低成本，更快地滿足小批量生產需求。

      3D打印技術也同樣適用於電動車零部件生產，特別是制造一些對於產品性能和輕量化有著更高要求的部件，例如生產電動車輛電池中帶有冷卻通道的基板。

高標准的產品質量

      高質量產品是這條試點3D打印自動化單元的標准配置，包括試用用於航空航天零行業的高強度鋁/鎂/鈧合金（也稱為Scalmalloy？）材料，還有一種適用於汽車行業的經典的鋁合金（AlSi10Mg）。這些3D打印金屬粉末材料的特性在試點項目過程中不斷得到改善，與兩年前合作開始時相比，材料強度和成品質量以及其他因素得到了改善。

與汽車制造的結合點

      目前，通過這條增材制造自動化單元所制造的零件以通過了質量檢查，並且根據嚴格的行業標准VDA 6.3的要求進行審核准備。而通過行業標准的審核，是戴姆勒汽車對於合同制造商提供的批量生產零部件的先決條件之一。

      整個自動化增材制造生產鏈未來將被用於更大批量的零部件生產 ，並且具有與傳統制造組件相當的可靠性、功能性，耐用性和經濟效率。汽車制造商可以針對3D打印技術在制造復雜結構方面的優勢，有針對性的優化零部件設計，降低復雜部件制造成本，提昇零部件性能。3D打印在制造輕量化零部件方面的優勢，對於電動車輛制造尤為重要。在制造配件方面，3D打印帶來了節省倉儲成本的優勢，使得零件可以『按需』生產。數字化制造中集中可用的制造數據和3D打印技術，為實現配件的離散生產奠定基礎。

3D科學谷Review

      根據3D科學谷的市場觀察，近年來，金屬3D打印企業在汽車零部件的最終生產領域做了大量的努力與嘗試，雖然方式各有不同，但共同的目標都是圍繞著使得金屬3D打印零件的質量達到汽車制造業的要求，制造成本和效率更加靠近汽車制造業的需求。

      不僅如此，一些3D打印-增材制造企業還致力於利用選區激光熔化等3D打印技術的優勢，協助汽車制造商進行汽車零部件的設計優化。

      比如3D科學谷在《如何通過金屬3D打印技術實現汽車大燈散熱器的低成本、高效生產？》一文中所談到的汽車大燈散熱器生產案例，英國增材制造企業Betatype對汽車LED大燈散熱器進行了優化設計，在設計方面做了全面考慮，設計師采用了功能集成化的設計，並設計了內置支橕功能，該功能使得打印零件無需添加額外的支橕結構。完成後的打印件通過手工的方式即可從基板中分離，無需借助其他分離切割設備。

圖片：通過3D打印設備進行批量制造的大燈散熱器，來源：Betatype。

      散熱器的生產采用雷尼紹的多激光器金屬3D打印設備RenAM 500Q，結合優化的設計方案和打印工藝，每個系統生產一年的產能從7055個增加到135,168個，實現19倍的提高，如果安裝7臺設備，每年可以生產接近100萬個3D打印零件。這一探索反映了基於選區激光熔化的金屬3D打印技術以更具優勢的成本和生產效率量產汽車零部件的可行性。

      談到3D打印技術在汽車制造中的應用，還有一種用於鑄造砂模制造的粘結劑噴射3D打印技術容易被忽略，但實際上該技術正在與先進汽車零部件的生產進行結合。根據3D科學谷的市場觀察，寶馬采用了這一3D打印技術制造S58發動機缸蓋的鑄造砂芯，以滿足輕量化以及熱管理性能的需求。

圖片：寶馬S58發動機，來源：BMW。

      其實，汽車是鑄造最大的應用市場，而3D打印與鑄造的結合可以說是具有從產品設計源頭上顛覆汽車零部件設計的潛力。

來源：3D科學谷《3D打印在鑄造領域的價值與應用趨勢》白皮書。

      3D科學谷的判斷是隨著3D打印與鑄造的結合，鑄造作為產品『誕生』的『源頭』，其決定產品核心競爭力的價值將顯現，這個行業不再被誤讀為『傻大笨粗』，而是成為企業發展核心競爭力的體現，因為3D打印可以從源頭決定一個產品的創新程度，很多大型企業將改變將鑄造外包給鑄造廠的模式，而是將鑄造將作為核心關鍵的一環納入到企業內部的生產運營中，這個過程中或將發生鑄造廠被並購的現象。

      這一領域的典型案例是，voxeljet-維捷及其合作伙伴通過將粘結劑噴射3D打印技術應用於規模生產，從而將增材制造提昇到新的水平。根據3D科學谷的市場觀察，voxeljet-維捷的合作伙伴為德國領先的汽車制造商，通過自動化單元-VJET X 3D打印復雜的砂模和砂芯，該自動化單元有望成為世界上首次汽車關鍵零件生產領域的集成增材制造解決方案，該項目將利用3D打印的砂芯來鑄造關鍵發動機部件。與傳統方法相比，VJET X提高了生產靈活性，並允許高速制造具有更為復雜幾何形狀的砂型模具，從而提高最終產品的性能，並通過產品性能的提高來提高產品生命周期效益。

      在交鑰匙項目方面，拿電機殼體的3D打印與鑄造來說，根據3D科學谷的了解，目前在國內，瑞士大昌華嘉-DKSH可以在最短時間（傳統模具技術1/10時間）為用戶提供基於3D打印技術的快速成型模具工藝，幫助用戶建立從研發到小批量生產電機的鑄件供應。