轻量化、个性化制造…传动系统制造商GKN 眼中的3D打印潜力

谈到3D打印在汽车制造中的应用，人们对其固有的印象是这项技术又贵又慢，发展至今仍难以满足汽车零部件批量制造的需求。的确，汽车制造业对3D打印技术的应用目前仍然主要局限在原型快速制造领域。在最终零部件的生产领域，汽车制造用户往往难以找到3D打印技术的应用结合点。但是根据3D科学谷的市场观察，随着3D打印-增材制造技术的发展，国际上知名汽车制造商和汽车核心零部件制造商，加强了3D打印技术在制造最终零部件中的应用，特别是在制造轻量化、功能集成等极具创新性的复杂零部件时，3D打印技术成为一种有潜力的新兴生产技术。

“驱动3D打印影响应用端的因素是附加值创造”，附加价值包括：更低的成本，更稳定的质量，更高的效率，更长的产品寿命。著名传动系统制造商GKN ，看到了3D打印在汽车零部件附加值创造中的价值，并将3D打印技术引入到下一代汽车的开发中。

创新性复杂零部件

GKN 所理解的3D打印价值有两个层次，包括这一技术在新产品快速研发中承担的重要角色，以及在生产创新性复杂零部件中的潜力。汽车行业的一个趋势是更短的产品开发阶段和更高的质量，在这种趋势下，由于3D打印技术能够实现零部件设计的快速多次迭代，从而能够帮助汽车制造业用户应对产品开发周期缩短的要求。

图片：通过3D打印汽车零件能够在1个月内完成试制，无需模具成本。来源：GKN

通常零部件制造商需要充分的时间来提高质量或进行多次迭代，特别是在开发高度创新的零件时由于需要进行多次设计迭代，因此所需研发时间更长，而金属3D打印技术凭借其无需模具的优势，为这类产品实现快速迭代的难题，在短时间内将多次迭代拟合到最终设计中。

GKN 探索的3D打印应用不局限于原型制造，他们看到3D打印为汽车市场提供了极具吸引力的机会，根据GKN 增材制造技术客户经理Markus Bürger，3D打印所带来的机会包括：

• 通过轻量化的定制几何形状减少部件重量，减少燃料消耗和二氧化碳排放；

• 车辆的个性化制造；

• 更快的研发下一代汽车。

为了创造下一代汽车，GKN正在快速走向新途径。GKN 针对粉末床金属熔化（PBF) 3D打印的特点对产品的设计思路的创新，如为功能而设计、一体化设计、自由造型等。这些创新方式促进了下一代汽车的研发。

图片：金属3D打印在汽车零部件创新中的应用。来源: GKN

GKN与汽车制造商保时捷通过金属3D打印开发新型电子驱动动力总成的新应用。GKN根据粉末床金属熔化3D打印技术的特点，针对更高的设计自由度、更高效、更集成的动力系统开发了特定的钢材料，这种钢材料能够承受高磨损和负载，并结合3D打印所实现的功能集成进一步减轻重量。另一方面，保时捷工程部门正在研究如何在其电子驱动动力系统中实施新材料。采用结构优化技术结合GKN的材料，保时捷实现了差速器的独特设计（包括齿圈），通过这种齿轮减重和刚性形状的组合，实现了更高效的传动。

图片：电子驱动动力总成。来源：GKN

着金属增材制造继续发展并成为主流工艺，该应用不仅可以扩展到原型或赛车运动，而且还可以扩展到批量生产。

Review

3D打印目前仍然主要局限在原型制造领域。那么，想改变这一点并将3D打印尤其是粉末床金属熔融技术纳入到汽车领域的大批量生产，使其成为适合汽车生产的经济可行的技术，面临的挑战有哪些呢？

在产量之路上，现实和目标之间存在五个主要障碍 ：

机器尺寸：由于大多数粉末床金属3D打印设备都有明显的加工尺寸限制，当前普遍限制在400毫米，或者在600毫米（根据3D科学谷的市场研究），因此我们可以一次性整体创建的部件只有少数几个。即便对于小型部件来说，机器尺寸仍然限制了产能，就拿一次性创造五到十个零件来说 – 这与一百万个零件产能的需求还是存在非常大的挑战。而这仅仅是小型零件的加工，对于非常大的铸件和冲压件的距离，还有很长的路要走。

准确性：粉末床金属3D打印设备的成本已经很高了，即便如此还需要考虑需要增加后期处理的人力和费用，这使得该技术的价格太贵了。直到增材制造能够以最小的后处理需求来创建精确的零件，目前对于大规模汽车生产而言，经济上是否可行是非常关键的考量因素。

材料：大多数3D打印材料目前主要适用于医疗和航空航天工业，而这两个领域的产品生命周期特点以及成本结构是可以接纳3D打印技术的，尤其对于那些昂贵的加工材料来说。

目前汽车领域可用的合金通常是用于铸造或锻造产品的合金，而对于3D打印来说，合金的开发则需要考虑增材制造工艺中经历的快速加热和冷却速率因素。

效率：目前增材制造对于汽车生产来说太慢了，考虑到与相互竞争的其他制造方法相比，冲压机每六秒钟可生产一个零件，而粉末床金属熔融技术则需要几个小时才能生产一批小零件。

成本：作为高产量和面向消费者的行业，成本是汽车行业的主要因素。例如，铸造工艺，虽然增材制造可以将许多零件组合在一起一次完成，但铸造几乎可以便宜两个数量级。增材制造将不得不与过去50年来经过不断优化的流程相竞争，并提供额外的价值以取代它们。

所有这些问题都不能由单一实体来解决 – 甚至单独一个部门都无法解决。尽管机器制造商正在努力满足规模和生产能力的要求，但作为汽车生产商也必须主动探索，目前通用汽车正在关注材料开发和工艺。例如，通用汽车正在研究金属粉末的开发和处理作为与产能相关的函数，利用先进的建模技术可以帮助解决希望克服增材制造目前的障碍。