3D 打印汽车有可能吗？新进展揭示答案

3D 打印已引起全球各行各业的关注。3D 打印又称为增材制造，被誉为当今最具代表性的技术之一。与传统制造技术不同，3D 打印是一种可以分层构建几乎任何类型的 XNUMXD 物体的方法。为了实现这一点，该技术利用了计算机辅助设计 (CAD) 和各种材料，例如金属、塑料、混凝土或纸张。

它为全球制造商带来了成本和时间优化生产流程的多功能性，使其成为短期内指数级采用的首选。据估计，3D 打印产品和服务市场的全球规模可能会从 从 12.6 年的 2020 亿美元增至 37.2 年的 202 亿美元6、到2030年，全球增材制造和3D打印设备数量可能达到2.8万台。

如此强劲的增长势头将使 3D 打印几乎无处不在。因此，每个人都在问：3D 打印是否适合汽车行业，而汽车行业非常重视和珍惜制造精度？更直接地说，3D 打印汽车有可能吗？我们将在接下来的部分讨论这些可能性。

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东北大学在多材料 3D 打印技术方面取得突破

该大学材料研究所和新产业创造孵化中心取得了一些前沿成果。研究人员 演示了制造轻质且耐用的汽车部件的过程 通过多材料3D打印技术。 

资料来源：东北大学

在这里，我们需要更深入地研究多材料 3D 打印技术这一现象。顾名思义，多材料结构战略性地组合不同的材料，以实现组件的最佳性能。更重要的是，它们可以 被创造 通过3D打印。

东北大学副教授山中健太在解释该技术的出现时说道：

“多材料因其工艺灵活性而成为增材制造领域的热门话题。”

不过，他也提到了这项技术的局限性。据他介绍：

“对于某些金属组合，例如钢和铝，异种金属界面会形成脆性金属间化合物。因此，虽然材料现在更轻了，但最终却变得更脆。”

这项研究最相关的方面是，科学家试图通过生产一种钢铝合金来解决这一瓶颈——尽管重量轻，但强度却不打折扣。 

目标已经实现 通过使用激光粉末床熔合 (L-PBF)，这是使用激光的主要金属 3D 打印技术之一 选择性熔化金属粉末研究人员发现，提高激光的扫描速度可以显著抑制脆性金属间化合物（如 Al5Fe2 和 Al13Fe4）的形成。他们提出，这种更高的扫描速度可能导致所谓的非平衡凝固，从而最大限度地减少导致材料中出现薄弱点的溶质分配。 全功能包 最终产品具有强粘合界面。 

在阐述理解这种原位合金化机制的价值时，东北大学特聘助理教授 Seungkyun Yim 表示：

“换句话说，你不能只是把两种金属粘在一起，而没有任何计划就指望它们能粘在一起。”

虽然东北大学研究人员的研究成果听起来技术性很强，而且很夸张，但它们在汽车制造应用领域具有重大意义。总之，研究人员可以制作世界上第一个具有定制几何形状的全尺寸汽车多材料部件（悬架塔）的原型。展望未来，这些发现可能会影响其他需要改进类似粘合问题的金属组合。 

虽然这项研究为汽车行业开辟了新视野，但 3D 打印在该领域的应用并不是什么新鲜事。

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3D 打印可更快制作原型并重新设计组件或零件

业内专家表示 3D 打印已用于加快原型制作、重新设计所选零部件，甚至替代它们。但随着时间的推移，3D 打印的应用已超越其最初的领域，开始涉足制造原型和生产当前某些车辆中的小批量定制 3D 打印装饰件。 

执行董事兼首席执行官 Robert Wilig 表示， EMS（原美国制造工程师学会）：

“随着汽车行业逐渐转向轻量化混合动力甚至电动汽车平台，增材制造在其中发挥了很好的作用，因为它可以真正高效地创造高效的设计。” 

3D 打印现在可以优化设计，将其整合为一个部件（以前可能需要三个部件），只需在需要的地方放置材料，即可使其更轻、更坚固、更灵活。

增材制造工程师达拉斯·马丁 (Dallas Martin) 表示 丰田汽车北美公司:

“3D打印在工具和夹具制造中的集成提高了生产线的效率和灵活性。”

A 审查研究 迄今为止，该领域的研究结果表明，3D 打印可以彻底改变汽车行业，使设计更加灵活、原型制作更加快速、废物减少更加高效。这可以通过保持生产轻量化来实现。研究人员认为，这些原因是汽车制造商加大对 AM 技术投资的驱动因素。

虽然我们将在接下来的部分中探索一些活跃于该领域的先锋公司，但研究人员已经注意到 AM 在可持续和绿色解决方案方面有更多机会，特别是在推进电池系统和电动汽车方面。3D 打印在生产耐热电池装置方面可能很有用，从而改善散热和电池冷却。它也被视为制造固态锂电池的有前途的解决方案。

在接下来的部分中，我们将研究知名汽车制造商开发有效解决方案的用例。

1. 丰田 (TM +0.35% )

2024 年 3 月，有报道称丰田推出了配备 3D 打印部件的 Hyper-F 概念车。作为该领域的资深人士，丰田通过 TCD Asia（丰田定制与开发）推出了一款高性能 SUV 概念车，该车已参与生产多种丰田车型的汽车配件。这只有通过与日本三井化学和 ARRK Corporation 的合作才能实现。 

据报道，丰田的 Hyper-F 概念车基于丰田 Fortuner，由 TCD Asia 开发。丰田利用三井化学的先进技术专长，采用颗粒 3D 打印技术以低成本生产塑料颗粒零件，从而缩短了开发时间和投资成本。

该公司声称这些 3D 打印部件非常稳定，可以打印成大尺寸部件。对于丰田 Hyper-F 概念车，3D 打印部件装饰了引擎盖风管的面板。

此前，有报道称丰田还与 索利泽是全球产品开发工程领域的合作伙伴和工程服务提供商， 按需打印 3D 备用汽车零部件更具体地说，丰田使用多喷射熔合 3D 打印技术制造库存零件，然后将其与传统生产的备件一起出售。另一家全球科技巨头惠普向丰田供应打印机。

在谈到汽车行业对利用 3D 打印的兴趣时，惠普日本公司董事总经理 Nobuki Okado 表示：

“每天，我们都会看到全球许多不同行业的 3D 打印应用越来越成熟，尤其是在汽车行业。丰田汽车公司等领先汽车制造商正在展示 3D 打印在灵活设计、快速上市和可持续影响方面的强大功能。”

除了惠普，丰田还利用了其他几家公司的解决方案来微调和改进其 3D 汽车产品。例如，该公司与 Materialise 合作开发了一款超轻型 3D 打印汽车座椅。该公司与 DSM 共同开发了 Somos Taurus，投资了该技术的研发，据称这种材料因其超强的 95°C 热变形温度而非常适合汽车应用。该公司在滑铁卢大学拥有以其命名的 3D 打印翼。 

2024年XNUMX月，T丰田汽车公司发布2024财年报告 截至1年2023月31日至2024年45,095,325月5,352,934日止期间。该公司销售收入为XNUMX百万日元，营业收入为XNUMX百万日元。 

2. 通用汽车 (GM +0.06% )

2022年， 也许 据报道，这家全球最知名的汽车制造商在使用 3D 打印或增材制造. 美国最大的汽车制造商为工厂操作员打印定制工具，使他们的工作更安全、更高效。 

通用汽车与 3D 打印的缘分可以追溯到 1989 年，当时它在底特律附近的沃伦 (密歇根州) 科技中心园区安装了一台早期的 3D 打印机，即序列号为“3”的立体光刻机。

通用汽车增材制造工业化工程集团经理 Ali Shabbir 表示：

“随着技术、材料强度和金属供应开始真正开始步入正轨，高管们表示，‘你知道吗，这是我们真正需要关注的事情，所以让我们派一个小团队来真正探索什么可以 完成。'”

2019 年，通用汽车在全球技术中心的科尔工程中心开设了增材创新实验室 (AIL)，占地 4,000 平方英尺。 

据 Ali Shabbir 介绍，这个实验室是通用汽车增材制造教育计划的瑰宝。它是一个 DIY 创客空间和学习中心，员工可以在这里学习如何设计和设置增材制造以及后处理零件。

在通用汽车成功将 3D 打印或增材制造应用于汽车行业的众多案例中，有几个案例脱颖而出。例如，2020 年，该公司为 3 年首款雪佛兰 C75 Corvette 的非运行原型（非量产车）2020D 打印了 8% 的零件，使工程师能够研究最终组装过程并确定生产挑战。

当年，该公司为 Corvette C8.R、INDYCAR、NASCAR Camaro 和 Silverado 赛车队生产赛季附加部件。 

2021 年，该公司通过与 GKN Additive Forecast 3D 合作，以 3D 打印的方式打印了 60,000 个柔性“扰流板封口密封件“ 在五周内完成 30,000 辆雪佛兰 Tahoe SUV 的生产。而采用传统的生产方式 — — 注塑成型 — — 则可能需要更长的时间，长达 10 周。 

通用汽车还将 3D 打印部件（包括两个 HVAC 管道和一个电线束支架）整合到凯迪拉克 CT4-V 和 CT5-V Blackwing 车型中。2022 年 300,000 月，该公司宣布了迄今为止最雄心勃勃的车型：售价 XNUMX 万美元的凯迪拉克 CELESTIQ EV，该车型将广泛使用金属增材制造进行定制。

根据它 截至 31 年 2023 月 XNUMX 日的财政年度年度报告，通用汽车公布其营收为 171.8 亿美元，股东净利润为 10.1 亿美元，调整后息税前利润为 12.4 亿美元。

3.戴姆勒卡车

戴姆勒卡车控股公司是全球最大的商用车制造商之一，在全球拥有 40 多个生产基地和 100,000 多名员工，提供轻型、中型和重型卡车、城市和城际巴士、客车和巴士底盘。

该公司声称从其创新中获益匪浅 3D打印技术. 近 30 年的 3D 打印原型制造经验现已 被转移 以高质量标准进行批量生产。戴姆勒的客车部门利用 3D 打印技术，可以快速、灵活、经济且环保地响应客户的紧急需求，包括生产特殊部件，例如盖子、把手和各种单独支架。

戴姆勒 “3D 打印能力中心“ 300,000 年开始详细检查 3 多万个现有公交车备件，以确定它们是否适合作为 2019D 打印部件。该公司拥有一支成熟的 增材制造解决方案部门 目前，这一技术已将采购时间缩短了 80%，确定了 7,000 多个潜在的 3D 打印组件，并提供了 400 多个可通过 3D 打印的核准备件组合。 

戴姆勒客车公司增材制造、印刷车间和媒体能力中心负责人拉尔夫·安德霍夫施塔特 (Ralf Anderhofstadt) 表示，随着公司在增材制造领域的活动，“该技术在整个价值链中的巨大潜力已逐步显现”。“ 在拉尔夫看来，戴姆勒的业务及其客户面临着从节约潜力到新商业模式的各种机会。 

2023 年，戴姆勒卡车公司报告称 收入 55,890 亿欧元较 2022 年的 50,945 亿欧元大幅增长。 

未来展望

该意见 还在分裂 关于 3D 打印是否会在未来完全接管汽车制造业。SME（前身为制造工程师协会）执行董事兼首席执行官罗伯特·威利格 (Robert Willig) 表示，可能不会出现“除了打印机之外什么都没有的巨型工厂”。

不过，据 Divergent Technologies 联合创始人兼首席运营官 Luke Czinger 介绍，该公司目前正在与奔驰、阿斯顿马丁、布加迪、迈凯伦等六家汽车制造商合作，3D 打印主要是悬架和支撑部件，3D 打印材料的属性可以提高电动汽车的性能。

“电动汽车的续航里程很有吸引力。如果你能在底盘结构上节省 20% 到 30% 的重量，你就可以增加续航里程，也可以减小包装尺寸。通常对于这些低成本电动汽车来说，这至少对该业务的盈利能力非常有意义。然后，你还有可持续性。如果你制造一辆重量更轻的汽车，你的轮胎磨损就会减少，但你在制造过程中实际上也会使用更少的铝，减少二氧化碳。”

– Czinger

研究人员认为，3D打印在汽车制造中的优势在于它可以消除多余材料的使用，从而减少不必要的浪费，以及长途运输路线和存储区域的需求，大大减少对环境的影响。

总而言之，这是一种很有前途的可持续制造方法。然而，要想真正取得成功，它必须解决一些瓶颈问题。例如，它必须很好地控制产品质量。它必须消除过度后处理的要求，提高产品产量，并解决缺乏标准的问题。

对于 3D 打印在汽车行业的成功应用，标准化的流程和材料 是必要的缺乏通用标准可能会妨碍不同3D打印机和软件之间的互操作性，即使在相同的工艺参数下也很难实现相同的性能。

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