重塑未来制造： 3D打印引领汽车新纪元

过去几十年来，增材制造给各行各业带来了革命性的变化，该技术已从原型设计工具发展成为工业规模生产的基石。随着技术的不断进步，增材制造为设计灵活性、效率和材料使用设定了新的标准。

 

3D打印绕组和线圈（图片来源：Additive Drives）

近日，据Research Nester发布的报告称，2024年全球增材制造市场规模超过227.3亿美元，预计到2037年将超过2858.2亿美元，预测期内（2025-2037年）的年增长率将超过21.5%。2025年，增材制造产业规模预计为266.4亿美元。政府加大力度推广应用增材制造技术将推动行业增长。

分区域来看，到2037年底，北美地区的增材制造市场份额将以显著的复合年增长率增长，并占据约35%的市场份额。政府为扩大3D打印产业而采取的举措和投资不断增加。例如，美国政府与ASTRO America合作，在国防部门建立3D打印机，用于生产设备。此外，Astro America还获得了美国国家科学基金会100万美元的奖励，以促进3D打印机在佛罗里达州的应用。

亚太地区市场统计据预测，到2037年底，亚太地区增材制造市场将成为第二大市场，所占份额接近28%。该地区的市场增长预计将得益于医疗设备投资的增加。迄今为止，根据医疗设备公共关联激励计划，印度已批准了26个项目，承诺投资总额达12.06亿卢比。这将扩大医疗设备的生产，并直接推动对用于创建原型的增材制造的需求。

除了医疗领域，汽车、航空航天、工业、消费品、建筑、国防等都是增材制造的终端应用市场。由于对电动汽车的需求不断增长，增材制造或3D打印技术的使用也在不断增加。到2030年，全球将有约2.5亿辆电动汽车上路行驶，占汽车总销量的35%以上。3D打印有助于概念开发、制造轻质部件和提供个性化服务。

 

3D打印让电机更紧凑

增材制造技术可实现传统制造方法无法实现的复杂设计，这使工程师能够在不影响强度或安全性的前提下优化汽车。包括合金、铝、钢和聚合物复合材料在内的轻质材料，可将车身重量大幅减轻约50%。值得一提的时，当整车重量减轻10%时，燃油效率就可以提高约6%-8%。此外，它还可用于在电动汽车电池外壳内生产复杂的冷却通道和热交换器。

 

图片来源：OEM UPDATE

在电动汽车的电机领域，3D打印也展现出了其技术优势。由于导体、工艺和几何形状必须匹配，因此传统绕组往往受到限制并且难以完美。现在，借助新的3D打印绕组和线圈，Additive Drives工程团队能够通过在设计和工程方面优秀的“重新思考”来提高电动机（以及电动汽车）的效率——将电动机提升到一个新的水平。

“虽然电动机可能看起来很基本，但内部有很多部分在起作用，包括热力学、结构力学和电磁学，其设计必须紧凑，甚至考虑‘优雅’，因为工作空间很小，所以会导致重新设计工程和部件的放置。”Additive Drives董事总经理Jakob Jung说。

虽然传统制造会产生典型的圆线绕组，但与3D打印线圈相比，新设计作为热源发挥了至关重要的作用，散热得到了改善，解决了一个常见的（以前是限制性的）问题。通过 Additive Drives创建的新程序和定制的激光熔化系统，能够防止空隙和凹槽不合适的问题，填充凹槽时铜的量增加，电阻更小。可变形状也有利于散热，因为每根导线都与线圈的所谓叠片铁芯热接触，因此没有热点。总体而言，发动机的输出功率最多可提高45%。

 

多射流融合技术助力斯巴鲁新一代概念车

在日本惠普、DMM.com和斯巴鲁的合作下，3D打印在汽车生产领域又迈进了一步。这些为斯巴鲁的概念车设计和制造的汽车零件采用3D打印技术，正通过日本惠普公司的射流融合（Jet Fusion）3D 打印机生产。

斯巴鲁在开发零部件时希望解决各种制造难题，同时着眼于未来。汽车零部件开发所面临的挑战包括模具制造和物流成本。通常情况下，零件生产需要专用模具。而对于模制零件，设计往往又受到脱模方向的限制，因此很难进行定制和小批量、多品种零件的开发。其他问题还包括生产部件的库存管理，以及运输成本和二氧化碳排放量。

多射流融合技术带来的改变这款概念车的名字代表着一种“助力”，帮助客户可以前往他们以前去不了的地方，做他们以前做不了的事情。斯巴鲁想通过设计有趣的装饰部件，提出驾驶者和乘客与汽车实现互动的新方式。这些新设计的部件，将在未来使用惠普射流融合3D打印机进行打印。它们采用了惠普的多射流融合技术，以平衡所需的强度和批量生产能力。

“之所以选择3D打印，是因为它具有增材制造的设计能力。”斯巴鲁零配件事业部配件规划部经理Kanenori Susaki说，“汽车设计师一直受制于模具，难以解决零件分离等问题。然而通过使用3D打印技术，可以摆脱脱模角度和分模线外观等所有问题，大大提高了设计自由度。我们的目标是积极采用适合小批量、多品种生产的3D打印技术，为客户提供更多的乐趣。”

通过使用惠普HP Jet Fusion 3D打印解决方案，斯巴鲁无需使用模具就可以快速开发出具有独特形状的零件。HP 3D高重复使用性PA12（尼龙12）被用作材料，在耐热性、耐候性和足够的强度方面满足了所需的性能。

惠普指出，HP Jet Fusion 3D打印机专为环保制造而设计，材料回收率高达80%。这种方法通过发送三维数据，可以在任何地方生产零件，无需对制造的零件进行库存管理，可以大大减轻物流负担。

多射流融合技术的显著优势多射流融合技术提升了3D打印技术的水平，尤其是在使用柔性材料时。与传统方法不同的是，这项技术在加工前会先铺上一层细粉末，然后在需要的地方精确喷射结合剂，再通过加热将其熔化。这种可控的工艺使部件具有卓越的强度和弹性。以下是选择多射流融合技术而非传统技术的原因：

● 速度：多射流融合能更快地生产零件，因为它只需一次就能处理各层。这意味着可以比以往更快地获得柔性零件。

● 细节和精度：得益于精细的粉末和粘合剂的精确喷射，多射流融合可以毫不费力地实现复杂的细节和复杂的几何形状。这种精度对于高性能柔性零件至关重要。

● 一致性：多射流融合可使整个部件的机械性能保持一致。这种一致性是一大优势，可确保每个部件都能达到预期性能，而不会出现薄弱环节。

● 减少浪费：传统方法通常采用减材工艺，去除材料以实现最终形状。多射流融合的添加性质意味着更少的废料，使其不仅更高效，而且更环保。

● 成本效益高：对于中短批量生产而言，多射流融合比传统制造方法更具成本效益。它需要的劳动力更少，产生的废料也更少，有助于节省总体成本。

 

斯巴鲁概念车上用到 3D 打印的零部件（图片来源：Subaru Corporation）

使用柔性材料的多射流融合不仅仅是一种替代方案，对于需要速度、精度和耐用性的应用而言，它更是一种卓越的选择。多射流融合技术彻底改变了世界制造业，尤其是在与柔性材料搭配使用时。各行各业的公司都在利用该技术的力量来制造以前过于复杂或过于昂贵的零件。无论从事的是汽车、医疗还是消费品行业，多射流融合技术都拥有实实在在的优势，促进产品性能和创新。

 

回收材料用于3D打印（图片来源：The New Raw）

 

人工智能、可持续材料铺平3D打印未来之路

在阿纳海姆举行的可持续制造博览会上，惠普公司3D打印应用全球主管Brian Ingold在题为“增材制造中的可持续性、价值和人工智能”主题演讲中，介绍了增材制造的可持续发展能力。他谈到，增材制造只使用必要数量的材料，从而减少了材料浪费。这与切割多余材料的传统减法形成鲜明对比。

回收材料和人工智能优化增材制造已证明了其在可持续流程和实践中的价值。制造商经常使用优化设计来提高效率和减轻重量，这可以节省大量能源。现在有很多用于增材的设计来自生成式人工智能。人工智能可能是为增材制造设计最有效的方法之一。

Ingold认为人工智能不会消除对设计工程师的需求，但它会增强设计流程。人工智能可能会让我们实现60%-80%的目标。然后，它可能还需要设计师来完善。生成式设计可以是一个十分简单的创建对象过程。你可以对人工智能说，给我创造一个能承受多少重量、厚度多厚的零件。从长远来看，人工智能可以处理设计中涉及的大型复杂物理问题。

“增材制造可以让制造流程变得非常灵活。就拿备件来说，没人会衡量备件的生命周期评估。”Ingold说，“汽车有刹车片，而刹车片有备件。如果刹车片是好的，那么很少有备件被使用。如果只打印所需的部件，对可持续发展的影响是积极的。”

寻求石油基打印材料替代品，也是业内人士面临的一个重大挑战：如何在材料性能与环境影响之间取得平衡。从生物基树脂到可回收聚合物，可持续3D打印材料的创新，正在改变这一局面。这些进步超越了简单的材料替代，提供的解决方案既能保持或超越传统的性能指标，又能减少对环境的影响。

如今，可持续3D打印材料不断发展，生物基和可回收材料日益突出。创新型公司正在将塑料废弃物转化为rPET、rABS 和rPLA等可回收长丝，有效实现了材料生命周期的闭环。这些回收材料不仅能将垃圾变废为宝，还能提供与原生材料相当的性能特点。

从木材、藻类和食物垃圾等可再生资源中提取的生物基材料，也在3D打印行业取得了长足进步。与石油基替代材料相比，这些材料的碳排放量更低，同时还具有广泛应用所需的机械性能。随着该领域研发工作的推进，生物基材料与传统材料相比将越来越具有竞争力。

虽然可持续3D打印材料的好处显而易见，但向这些替代品过渡并非没有挑战。其中一个明显的障碍是需要在回收材料中加入新塑料，以确保最终产品的强度和耐用性。这一要求凸显了持续研发工作，对优化再生材料成分和加工的重要性。

随着制造业的不断发展，采用可持续3D打印材料和实践将变得越来越重要。对环保解决方案日益增长的需求，加上技术和材料科学的进步，将推动这一领域的进一步创新。未来，可以预见会有更先进的可持续材料问世，如自修复聚合物、生物可降解复合材料，以及从藻类和真菌等可再生资源中提取的材料。

 

来源：荣格-《国际汽车设计及制造》

原创声明：
本站所有原创内容未经允许，禁止任何网站、微信公众号等平台等机构转载、摘抄，否则荣格工业传媒保留追责权利。任何此前未经允许，已经转载本站原创文章的平台，请立即删除相关文章。