看3D打印自动化单元如何在汽车制造领域落地？

汽车市场是全球最大的消费品市场之一,2020年全球将生产1.03亿辆乘用车，其中内燃机车占8190万辆，市场占有率为79.5%，新能源车（含混动，电动）为2110万辆，占20.5%，其中纯电动汽车为410万辆。到2030年，预计全球将生产1.2亿辆乘用车，其中内燃机车占960万辆，市场占有率为8%，新能源车（含混动，电动）为11040万辆，占92%，其中纯电动汽车为5040万辆。

由于消费市场的升级，汽车市场正面临着越来越多的订制化订单的需求，而3D打印技术所能够实现的高柔性和高复杂性的生产，恰好与汽车市场的订制化需求有结合点。同时，3D打印企业也在致力于推动面向生产的增材制造解决方案，使得3D打印技术更加贴近于汽车制造业对质量、成本和效率的要求。

两年前（2017年5月），汽车制造商戴姆勒、飞机制造结构和制造系统的供应商Premium AEROTEC和工业级增材制造设备制造商EOS共同开展了“新一代增材制造（NextGenAM）“项目。该项目的目标是开发一条基于3D打印-增材制造技术的新一代自动化单元，该自动化单元能够为航空航天和汽车制造业生产金属铝部件，并且成本效益超过目前的3D打印工艺。如今，戴姆勒公布了该项目两年来取得的进展，就整体生产流程而言，这条3D打印自动化单元与现有的独立3D打印系统相比，制造成本可降低多达50％。

本期，将与网友们进一步了解戴姆勒汽车试点的汽车零部件3D打印自动化单元所包含的制造技术，以及未来这样的3D打印自动化单元与汽车制造的结合点。

图片：戴姆勒已开始用3D打印自动化单元制造卡车配件，如3D打印柴油发动机支架。来源：DAIMLER。

进一步降低3D打印生产成本

全自动化的增材制造

“新一代增材制造（NextGenAM）“项目中所打造的3D打印自动化单元是一条可扩展的增材制造生产链，完全采用自动化制造技术。也就是说，从3D打印零件数据准备，到粉末供应再到增材制造构建本身，包括组件与打印构建平台的分离、热处理、质量检测，整个增材制造过程中的任何阶段都不需要手动操作。

自动化单元中集成的增材制造设备为EOS M 400-4，这是一款四激光器的选区激光熔化3D打印设备。自动化单元中的自动运输系统和机器人确保了零件在自动化单元的每个阶段的平稳移动。

整个生产过程在没有操作人员的情况下通过中央自治控制站运行，机器设备之间的联网是系统的基础，当生产订单数据被发送到控制站之后，由控制站优先考虑各种制造请求，并将它们分配给3D打印设备。

在构建过程中，管理人员还可以在移动设备上检索制造状态。完成整个生产流程后，产品质量报告将集中发送回控制站。生成数字双胞胎所需的所有数据都可以在这里被访问到，因此通过该自动化单元制造的产品具有可追溯性。

可扩展的生产能力

新一代增材制造（NextGenAM）项目展示了如何在批量生产中高效使用工业3D打印技术，并将其作为自动化生产流程链的一部分。自动化单元中集成了质量管理的连续3D数据，这是符合未来工业4.0的基准。

这条自动化单元是可扩展的，即通过简复制扩展工厂的增材制造生产能力。随着自动化单元的扩大，增材制造成本在未来将进一步下降。如今，这一自动化单元所制造的部件已经能够达到批量生产的质量标准。

目前，戴姆勒汽车已经通过这条增材制造自动化单元生产汽车零件，首个通过该生自动化单元生产的是戴姆勒卡车柴油发动机的铝支架。这些3D打印支架是卡车的更换配件。3D打印技术在制造备品备件领域具有优势，与铸造工艺相比，在无需使用模具的情况下金属3D打印技术能够实现零件的直接制造，对于那些需求量小的零件，采用这种方式制造更具有成本效益。

目前戴姆勒巴士的3D打印能力中心正在评估用3D打印配件替换传统配件的可行性。同时，戴姆勒乘用车分析团队，也在考虑合适的潜在3D打印应用。戴姆勒股份公司未来技术主管Jasmin Eichler，增材制造也适用于新车（限量版）的最小批量生产，专门针对3D打印零件开发的生产系统，可以进一步降低生产成本并优化质量。此外，3D打印在车辆的先进开发中也具有特别意义，与传统生产工艺相比，增材制造通常可以更低成本，更快地满足小批量生产需求。

3D打印技术也同样适用于电动车零部件生产，特别是制造一些对于产品性能和轻量化有着更高要求的部件，例如生产电动车辆电池中带有冷却通道的基板。

高标准的产品质量

高质量产品是这条试点3D打印自动化单元的标准配置，包括试用用于航空航天零行业的高强度铝/镁/钪合金（也称为Scalmalloy®）材料，还有一种适用于汽车行业的经典的铝合金（AlSi10Mg）。这些3D打印金属粉末材料的特性在试点项目过程中不断得到改善，与两年前合作开始时相比，材料强度和成品质量以及其他因素得到了改善。

与汽车制造的结合点

目前，通过这条增材制造自动化单元所制造的零件以通过了质量检查，并且根据严格的行业标准VDA 6.3的要求进行审核准备。而通过行业标准的审核，是戴姆勒汽车对于合同制造商提供的批量生产零部件的先决条件之一。

整个自动化增材制造生产链未来将被用于更大批量的零部件生产 ，并且具有与传统制造组件相当的可靠性、功能性，耐用性和经济效率。汽车制造商可以针对3D打印技术在制造复杂结构方面的优势，有针对性的优化零部件设计，降低复杂部件制造成本，提升零部件性能。3D打印在制造轻量化零部件方面的优势，对于电动车辆制造尤为重要。在制造配件方面，3D打印带来了节省仓储成本的优势，使得零件可以“按需”生产。数字化制造中集中可用的制造数据和3D打印技术，为实现配件的离散生产奠定基础。

Review

近年来，金属3D打印企业在汽车零部件的最终生产领域做了大量的努力与尝试，虽然方式各有不同，但共同的目标都是围绕着使得金属3D打印零件的质量达到汽车制造业的要求，制造成本和效率更加靠近汽车制造业的需求。不仅如此，一些3D打印-增材制造企业还致力于利用选区激光熔化等3D打印技术的优势，协助汽车制造商进行汽车零部件的设计优化。

英国增材制造企业Betatype对汽车LED大灯散热器进行了优化设计，在设计方面做了全面考虑，设计师采用了功能集成化的设计，并设计了内置支撑功能，该功能使得打印零件无需添加额外的支撑结构。完成后的打印件通过手工的方式即可从基板中分离，无需借助其他分离切割设备。

图片：通过3D打印设备进行批量制造的大灯散热器，来源：Betatype。

散热器的生产采用雷尼绍的多激光器金属3D打印设备RenAM 500Q，结合优化的设计方案和打印工艺，每个系统生产一年的产能从7055个增加到135,168个，实现19倍的提高，如果安装7台设备，每年可以生产接近100万个3D打印零件。这一探索反映了基于选区激光熔化的金属3D打印技术以更具优势的成本和生产效率量产汽车零部件的可行性。

谈到3D打印技术在汽车制造中的应用，还有一种用于铸造砂模制造的粘结剂喷射3D打印技术容易被忽略，但实际上该技术正在与先进汽车零部件的生产进行结合。根据3D科学谷的市场观察，宝马采用了这一3D打印技术制造S58发动机缸盖的铸造砂芯，以满足轻量化以及热管理性能的需求。

图片：宝马S58发动机，来源：BMW。

其实，汽车是铸造最大的应用市场，而3D打印与铸造的结合可以说是具有从产品设计源头上颠覆汽车零部件设计的潜力。

来源：《3D打印在铸造领域的价值与应用趋势》白皮书。

随着3D打印与铸造的结合，铸造作为产品“诞生”的“源头”，其决定产品核心竞争力的价值将显现，这个行业不再被误读为“傻大笨粗”，而是成为企业发展核心竞争力的体现，因为3D打印可以从源头决定一个产品的创新程度，很多大型企业将改变将铸造外包给铸造厂的模式，而是将铸造将作为核心关键的一环纳入到企业内部的生产运营中，这个过程中或将发生铸造厂被并购的现象。

这一领域的典型案例是，voxeljet-维捷及其合作伙伴通过将粘结剂喷射3D打印技术应用于规模生产，从而将增材制造提升到新的水平。根据3D科学谷的市场观察，voxeljet-维捷的合作伙伴为德国领先的汽车制造商，通过自动化单元-VJET X 3D打印复杂的砂模和砂芯，该自动化单元有望成为世界上首次汽车关键零件生产领域的集成增材制造解决方案，该项目将利用3D打印的砂芯来铸造关键发动机部件。与传统方法相比，VJET X提高了生产灵活性，并允许高速制造具有更为复杂几何形状的砂型模具，从而提高最终产品的性能，并通过产品性能的提高来提高产品生命周期效益。

在交钥匙项目方面，拿电机壳体的3D打印与铸造来说，根据3D科学谷的了解，目前在国内，瑞士大昌华嘉-DKSH可以在最短时间（传统模具技术1/10时间）为用户提供基于3D打印技术的快速成型模具工艺，帮助用户建立从研发到小批量生产电机的铸件供应。