3D打印技术在汽车制造中的应用及中国汽车业的机遇与挑战
2019-8-23 来源：中船重工集团第七二五研究所 作者：李雪峰 黄安琪 夏申琳
中船重工集团第七二五研究所
1986年3D印刷机在美国诞生，拉开了3D打印技术发展的帷幕。30多年来，3D打印技术得到了飞速发展和广泛的应用，以至于英国《经济学人》杂志将其推崇为“第三次工业革命”，美国政府将3D打印技术作为制造业发展的首要战略任务。
3D打印（通常也称为“增材制造”）技术发展到现在有多种技术途径，通常根据使用材料的不同和构建物体方式的不同进行分类，可分为光固化成型（SLA）、电子束自由成形（EBF）、直接金属激光烧结（DMLS）、电子束熔化成型（EBM）、选择性激光烧结（SLS）、3DP等。目前3D打印技术已逐步应用于汽车、航空航天、船舶、医学、建筑、服饰、食品等多个领域。
一、3D打印在汽车制造中的应用
1. 3D打印汽车的发展历程
2010年11月，世界第一辆3D打印汽车问世，这是由美国Jim Kor团队研发的采用3D打印技术制造的6︰1模型车，名叫Urbee。2013年初第一台原型车Urbee2诞生，Urbee2一半以上的零件是由3D打印的。
2014年，第一辆3D打印电动车Strati横空出世，这是一辆只有40个零部件的3D打印汽车，整个打印时间仅44小时。
2015年，美国DM公司打造了全球第一款3D打印跑车——刀锋（见图1），该车采用3D打印汽车零部件，然后人工组装而成。同年，三亚思海3D公司研发出了中国的3D打印汽车。
图1 刀锋跑车
2016年，全球七大3D打印概念车面市，世界各大品牌汽车纷纷推出了自己的最新设计。2019年，国内XEV公司设计出世界第一款量产3D打印电动汽车。
2. 3D打印技术在汽车业中的应用现状
虽然关于3D打印汽车的新闻屡有报道，但是细心的读者不难发现，3D打印汽车这个概念的宣传力度大于实际应用，以上述七大概念车为例，3D打印组件仅占整车中很小的一部分，而且还是非承力件。因此有分析人士认为，3D打印汽车更多的是在宣传一种技术发展理念，通过这一理念来拉动消费，并不是真的要采用3D打印来生产汽车。
然而，3D打印作为一项新兴技术有其独特的优越性，依然在汽车业中有着许多成功的应用案例。下面从汽车设计、制造和消费的不同阶段来分析3D打印技术在汽车业中的应用。
在汽车设计阶段，3D打印可快速制作概念模型和功能原型，在产品研发初期大大缩短汽车零部件的验证时间，从而缩短汽车的研发周期，并尽可能地降低由于设计方面的原因而造成的成本浪费。例如，兰博基尼采用3D打印技术研制引擎管路，实现了用较短的时间完成复杂结构的制作。
在汽车制造阶段，汽车的外饰包括车灯、保险杠、徽标、挡泥板等，汽车的内饰包括声学系统、方向盘、仪表板、操作杆等，以及底盘、车身等都成功应用了3D打印技术。据报道，3D打印技术的应用在缩短生产周期、降低生产成本方面发挥了重要作用。
汽车消费阶段，也就是说汽车进入消费者手中，厂商需要对其车辆进行维保、修复，在这一领域，3D打印技术可谓大展身手。比如，保时捷采用3D打印技术为经典汽车生产零备件，奔驰公司采用3D打印的零部件修复20世纪50年代的跑车，宝马公司采用3D打印零件修复老旧座驾。此外，在汽车零部件的供应链中，应用3D打印技术已是目前各大公司的追求目标。
3. 3D打印是噱头还是工业革命？
在3D打印技术发展的如火如荼的时候，也有业内人士指出，3D打印技术在批量生产方面还无法与传统工业相比，标准化作业还无法大规模实现，打印材料远未达到广泛使用的要求，高性能零部件的打印技术还没有形成，复合型人才的缺乏等，都限制了3D打印技术的推广应用，更不要说3D打印整车了，3D打印汽车也只是一个博人眼球的噱头而已。
另一方面的声音就很乐观了。早在2014年就有学者撰文《3D打印技术颠覆汽车制造业》，提出了3D打印技术将引领汽车制造业的观点。2016年，《美国汽车新闻》评选出全球十二大汽车行业的颠覆者，3D打印位居榜首。由此可见3D打印技术的先进性。
3D打印是“噱头”还是“工业革命”？我们应该客观评价3D打印技术的发展与应用，既不要抵触，也不要神话。作为一种新兴的科学技术，3D打印有着传统工艺无法比拟的优势，但不可否认也存在无法克服的缺陷，我们应该做的是尽可能的发挥其长处，在生产中取得更高的效益。
4. 3D打印汽车的发展前景
（1）分析3D打印技术在汽车行业中的应用前景之前，不妨先分析一下汽车未来发展的方向特点，归纳起来有以下四个方面。
新能源：2019年7月1-3日，世界新能源汽车大会在海南博鳌隆重召开，大会聚集了全球专家和精英，就新能源汽车的创新、市场、产业转型升级等问题进行研讨。近几年来，我国的新能源汽车产销量持续增长，而新能源汽车中纯电动车占比超过80%。在全球汽车产业转型升级和环境持续改善的产业要求下，新能源汽车将是未来汽车产业的发展方向。
轻量化：世界各国为提高车辆燃油效率，减少二氧化碳的排放量，纷纷制定法律法规，以促进改善环境。在全世界节能减排、保护环境的大背景下，汽车轻量化成为汽车行业发展的重要方向之一。
智能化：汽车产业的智能化可分为两个方面，智能制造和智能驾驶。智能制造是制造业的发展目标，汽车行业自然也不例外。华为5G+C-V2X车载通信技术的开发，为智能驾驶提供了新的技术保障，未来的汽车有可能像科幻片中的汽车一样，我们坐在车里，说出目的地，汽车会自动、安全地将我们送到。
个性化：个性化定制彰显个性魅力，满足不同消费者的个性需求，将是未来汽车开发的方向之一。在传统生产模式下，个性化定制是一部分人的消费专利，随着科学技术的发展，个性化定制必将走入寻常百姓家。
（2）通过以上对汽车未来发展方向的分析，汽车的研发与制造会发生以下几方面的变化。
汽车构造的重新设计：有人曾经设想，电动汽车的研发，取代了传统的发动机，整个汽车的构造发生了重大变化。可将电机装入轮毂中，由导线连接电池，传统的发动机系统和传动系统等都不需要了，取而代之的是车载通信、音响视频系统等。
复杂构件的制造：汽车轻量化不仅可以从使用轻型材料来实现，还可以从复杂构件的设计上达到减轻重量的目的。
私人定制：汽车在保障必要功能的前提下，其外观和个性需求受到消费者的重视，也是争夺市场的有利武器，因此私人定制也是汽车制造的重点关注方向之一。
（3）综上所述，3D打印技术的优势正好将在未来汽车制造业中大显身手，主要有以下四个方面。
缩短研发周期，降低研发成本：3D打印在未来汽车研发阶段的应用就不仅仅是单个零部件的试制，而是整个车的结构、布局的研发，大概还没人知道未来汽车是什么样子，谁能占领3D打印技术的制高点，谁就能用最低的研发成本，不断地推陈出新，快速占领市场。
汽车轻量化的有力武器：以往的汽车轻量化多注重轻型材料的选择，受到生产工艺的限制很难从结构上做文章，而3D打印技术打破了这一瓶颈限制。3D打印在生产多孔、空腔类复杂结构的零部件方面有其独特的优势，为汽车轻量化开辟了新的发展方向。
个性化设计：3D打印不需要传统的模具设计与制造过程，而只需要CAD设计图形即可，因此可以使用不太高的成本来满足不同客户的个性化需求，这些个性化设计包括车型、车饰等等。例如图2这款造型可爱的汽车，会受到众多爱美人士的喜爱。
图2 造型可爱的汽车
零部件供应：3D打印零部件的供应依然是未来汽车业的重要发展方向之一，与以往不同的是，在3D打印技术日渐成熟之后，3D打印所能提供的零件种类会越来越多，今后在整个零件供应链中，尤其是已经停产的车型，可能将不再有实物零件的存储，而只要保留各零部件的相关数据，需要时打印就可以了（见图3）。
图3 3D打印零件
二、中国汽车制造业的机遇与挑战
3D打印技术虽然发展的时间不长，但发展速度之快令人惊奇，在汽车制造业中的应用也越来越广泛，这种形势会对中国的汽车制造业带来哪些影响呢？
1. 中国汽车制造业的发展机遇
目前在普通消费者眼中，国产汽车还普遍处于较低端的市场，其性能和品牌影响力远不如进口汽车品牌，在传统生产工艺条件下，国产汽车一直处于追赶地位。在新的形势下，全球汽车企业都面临着转型升级，恰逢3D打印技术的应用，将世界各国的汽车生产企业拉到了同一起跑线上。而在3D打印技术上，中国处于世界前列，部分技术还处于世界领先水平。面对新的形势，中国企业似乎还处于优势地位。抓住这一机遇，充分发挥3D打印技术的优势，助力汽车产业的转型升级，将有望在不远的将来成就自己的世界品牌。
2. 中国汽车制造业面对的挑战
中国车企在面临新的发展机遇时，同样也面对着巨大的挑战。一方面在传统汽车制造业领域我们相对落后，即使在同一起跑线上，对手同样强大；另一方面，任何一项新技术的应用都存在一些潜在的风险，比如新技术与传统工艺的兼容性、适用性、产品的可靠性、人员对新技术的适应性等，都会影响整个产业的发展。因此，中国车企面临的挑战同样不可小觑。
三、结束语
3D打印是一项新兴技术，其发展前景是令人欣喜的。3D打印技术的广泛应用必将推动各行各业的快速发展，汽车制造业在新的形势下也将发生翻天覆地的变化。中国汽车制造企业应该积极应对，加强新技术的研发与应用，成就自己的民族品牌。
《世界制造技术与装备市场（WMEM）》
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