三种金属3D打印技术分别适合怎样的汽车行业应用
汽车制造是金属3D打印技术重要的应用领域，从快速制造原型，从而加快新车研发效率，到直接生产小批量零件，缩短供应链并节省成本，3D打印可谓是汽车行业重要的补充技术。除此之外，3D打印所特有的复杂零件制造优势，更可以简化汽车零件数量、降低重量，并节省材料。可以说，对汽车制造来说，3D打印技术优势非常多。虽如此，该技术到目前为止并未在该领域广泛使用。这是因为，具备更快、更便宜、制造更复杂部件的能力——才是未来汽车的制造方式。
当今汽车工业中的增材制造
在汽车领域，最早采用增材制造技术的并不是汽车制造商本身，而是他们赞助的车队。几十年来，从福特到法拉利，许多公司都把赛车作为测试新技术的孵化器。现在新车的许多标准功能——混合动力汽车的再生制动系统、按钮点火系统甚至后视镜——都可以追溯到它们的根源。同Z样的道理也适用于3D打印，尤其是金属打印。一级方程式车队、世界耐力挑战赛车队、E级方程式车队以及更多的车队都亲身体验了增材制造的好处——设计的快速迭代、快速原型制作和零部件的轻量化——都可以在赛道上提高车辆的性能。
既然3D打印有这么多的制造优势，那为什么汽车制造商还没有广泛采用呢?
从本质上说，它可以归结为三个因素——成本、材料和速度。
激光3D打印的复杂汽车零部件
3D打印技术目前所兼容材料种类也很有限。以塑料为例，目前能够成型的多数材料仅能满足有限的需求，对于汽车制造商更高要求的应用，现有材料甚至无法通过实验室的测试。
基于该技术的原材料成本非常高昂。即便已经经历了大幅降价，金属粉末每公斤的价格仍然达到上百甚至千余元，成品零件的成本则可能高达每公斤几百至数千元——对于大规模生产来说成本太高了。
在速度方面，即使是最好的机器也无法与大规模生产竞争。最快的粉末床熔融设备每小时只能生产100立方厘米。
虽然3D打印已经在汽车领域取得了成功，尤其是赛车运动能够承受为取得胜利而付出高成本来打印复杂部件，但只有更加经济高效，才能使其拓展到更广泛的制造过程中。当前，来自成本、材料和速度方面的挑战已经导致了该技术在汽车制造行业的应用受到限制，而且大多数零件仍在使用传统方法生产，如铸造、锻造、机加工和冲压。
激光粉末床熔融更适合小批量、高价值应用
迄今为止，应用最为广泛的3D打印系统——激光粉末床熔融技术，其采用激光一层层的熔化薄薄的金属粉末，直到零件完成制造。该技术能够快速准确的制备出金属零件，且在此前十年获得了汽车制造领域的广泛应用。宝马、福特、大众、奔驰等公司都在该技术的使用中均树立了典型案例，且在一定条件下实现了批量制造，但这些案例所涉零件仍多数局限于高端品牌，总量仍旧有限。
其原因仍离不开该领域对成本、材料和速度的要求。激光粉末床熔融装备需要大量的前期投资——整套系统需要100万美元或更多——每年只生产1吨零件，这不足以证明成本的合理性。此外，即便3D打印使金属零件制造更加灵活，但打印仅仅是第一步，后续还需要去除支撑等一系列后处理过程，从而进一步增加了零件成本。
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到目前为止，一系列汽车领域高价值的应用均源于激光粉末床熔融技术显著的制造优势——集成化、高精度和复杂制造的特点。例如通用汽车采用生成设计和3D打印将汽车传统座椅支架的八个组件整合为了一个组件，布加迪采用3D打印技术制造了新款凯龙制动钳，保时捷采用一系列创新设计3D打印了铝合金发动机外壳原型，宝马为i8 Roadster跑车批量打印的软顶支架等等。这些案例无论用于原型还是最终使用，都离不开激光粉末床熔融技术独特的制造特点。但同样有一个特点，这些应用都非常局限，几乎都属于高端品牌，极少能符合该领域对低成本、批量制造的要求。
基于挤出的桌面金属3D打印适用于原型制作
基于挤出的桌面型金属3D打印机具有办公方便的设计，排除了粉尘和激光暴露的风险，是一种更易于使用的端到端解决方案。
对处于新车设计和制造早期阶段的用户来说，桌面型金属3D打印机具有比传统粉末床设备便宜10倍的价格和方便快捷的操作性。此类系统可以在内部快速制作大量零件原型，快速测试不同的想法，探索新的结构可能性，在漫长而昂贵的设计周期中节省时间和金钱。最终能够以更低的开发成本呈现更好的设计，并使公司快速从设计和验证转向生产，加快产品上市。灵活的操作性还有助于降低成本，因为它减少了材料浪费，而且不需要专门为操作机器招聘专业员工。
Desktop Metal桌面金属3D打印装备
Raise3D桌面金属3D打印装备
该技术可以打印广泛的材料，包括H13工具钢、4140铬钢、316L和17-4 PH不锈钢等，非常适合于车企零部件开发、工装及零配件制造等。当前，比较有代表性的桌面挤出金属3D打印品牌有Desktop Metal、Raise3D、Markforged等，国内纵维立方也于2021年推出了基于该技术的3D打印机4Max Metal。
5月20日，国内知名的从事挤出工艺3D打印的代表企业Raise3D将带来线上云展活动，扫码预约直播可近距离观看其3D打印创新中心，听取桌面金属3D打印工艺研究报告。
采用桌面挤出金属3D打印技术制造的17-4ph减震器活塞
粘结剂喷射金属3D打印更适合于大批量零件制造
粘结剂喷射工艺的最突出特点就是可以实现金属3D打印的批量化制造。基于该工艺的装备价格比传统激光3D打印机要低，打印速度是四激光粉末床熔融设备的几十甚至上百倍，所用材料为传统MIM粉末，相比球形粉价格更为低廉，零件的制造成本也因此比激光3D打印的零件低几十倍。因此，粘结剂喷射工艺在装备成本、粉末成本以及打印效率方面都超过金属3D打印，即便其零件性能略低，但仍具备与注射成型零件相同的水平。因此，该技术更适合于实现大批量零件制造。
基于以上优势，当前主要的汽车主机厂正在加快该技术的使用进程。领先的粘结剂喷射金属3D打印开发商分别获得了汽车行业内主要品牌的合作：大众汽车正在积极与惠普合作，福特也正在使用ExOne的粘结剂喷射技术制造汽车部件，而Desktop Metal近日获得了某德国汽车制造商790万美元的合同，业内猜测该客户可能是宝马汽车集团。
Desktop Metal粘结剂喷射3D打印装备
那么，该技术又是如何实现零部件从几千个到几十万个批量制造的呢？
制造商在大规模生产零件之前，最初的生产量可能会很少，原因有几方面。在一辆特定汽车的生产初期，即使最终可能生产数十万辆的汽车，制造商在最初可能也只生产几百辆用来作为市场测试，然后才开始大规模生产。另一个原因是，像福特野马Shelby GT500这样的高性能汽车的产量通常是有限的——2010年，福特只生产了2000辆这种汽车——这意味着汽车制造商可能只需要对每一个零件只生产几千个。与此同时，对于售后零部件而言，这一数字可能更小——市场对某个特定零部件的需求可能只有几百个。
粘结剂喷射适合堆叠打印，大幅度提高了3D打印制造效率
对于需要大规模生产的零部件，粘结剂喷射金属3D打印的另一优势则更为明显——无模制造。该技术消除了对模具的需求，允许工程师将已经经过改进的设计——无论是通过桌面挤出金属3D打印技术还是传统原型方法——都可以通过粘结剂喷射金属3D打印实现大规模生产。可与传统大规模制造工艺竞争的打印速度，粘结剂喷射金属3D打印允许在一次任务中生产数千个零件，其价格和生产速度可以与铸造、锻造和机加工等工艺竞争。这种速度，再加上低成本MIM粉末的使用和简单的后处理，使得该工艺生产零件单件成本可能比其他3D打印工艺低20倍，并使增材制造成为铸造、锻造和机械加工的可行选择。
采用粘结剂喷射金属3D打印技术和SLM技术制造的宝马水泵轮
以创新设计的汽车水泵轮为例，它通过发动机和散热器冷却循环，消散燃烧过程中产生的热量。然而与其他产品不同的是，该部件是作为一个整体设计的，这使得它能够更有效地运行，并通过减轻重量来提高性能。由于零件几何形状复杂，无法通过铸造或锻造来创造，水轮采用金属3D打印制造，虽然使用SLM创建的部件已经在汽车上得到了成功验证，但每个部件的成本对于生产车辆来说太高了。使用粘结剂喷射金属3D打印，能够一次创建多达150个零件，每个零件的成本也能够降低到5美元，从而更加经济。
END
3D打印技术的发展在汽车制造生命周期的每个阶段都创造了新的机会——从功能原型到中批量生产，再到售后市场和备件。而这些机会大多与生产速度和零件复杂性有关，或者两者兼而有之。因为它不受传统制造的限制，3D打印允许设计师和工程师进入一个巨大的新设计空间，并创造越来越复杂的零件。
当优化的零件面临大规模生产时，材料、成型效率、价格成为阻挡3D打印技术广泛应用的限制性因素，优势无法体现。新技术的发展则打破了这种壁垒，使优化的结构能够大规模实现，并以一种高效和更加经济的形式。
3D打印技术参考
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主编微信：2396747576;硕博千人交流Q群：867355738；网址：www.amreference.com
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