盤點：2017年這9家汽車機構(gòu)用3D打印技術(shù)造汽車

談及2017年的汽車制造類熱詞，除了備受矚目的輕量化外，3D打印與增材制造也發(fā)揮著重要的作用。近日，南極熊看到蓋世汽車整理了一篇關(guān)于3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域的文章，介紹各機構(gòu)在上述兩項技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)發(fā)展動態(tài)，詳見下文：

臺灣車輛研發(fā)聯(lián)盟

關(guān)鍵詞：兩座式電動車、3D打印制造技術(shù)、聚乳酸

臺灣車輛研發(fā)聯(lián)盟（Taiwan Automotive Research Consortium，TARC）研發(fā)了一款兩座式電動車，其車身制造采用了3D打印制造技術(shù)。

該輛電動車配備了6.6 kWh的鋰離子電池，其續(xù)航里程數(shù)為60-100 km（近37.3-62.1 miles），最高車速為60 km/h（約合37.3 mph）。TARC尚未確認(rèn)該款電動車能否實現(xiàn)量產(chǎn)。

該款電動車的車身及內(nèi)飾均由塑料制成，但車門除外。出于安全考慮，車門采用鋼板制成。車身所用材料為聚乳酸（poly-lactic acid，PLA），由植物源性淀粉（plant-derived starch）制成。

與常見的車輛不同，該款電動車并未采用硬殼式結(jié)構(gòu)（monocoque structure），其車身及車架的設(shè)計是獨立進行的，僅靠車架就能達(dá)到車輛碰撞所需達(dá)到的安全要求。為此，其車身外部件的設(shè)計空間及應(yīng)用靈活度頗大。

該款電動車的車架由鋁材制成，質(zhì)量為98.7kg。若將車架后側(cè)進行擴展，有可能制成三座式皮卡。若更改鋁質(zhì)車架的外形，還可將其用于制造雙輪車輛及自行車。TARC旨在提升生產(chǎn)規(guī)模，將成本降低3-4成。

該款電動車的尺寸規(guī)格（長寬高）為2780 mm x 1440 mm x 1570 mm，其軸距為1770 mm，發(fā)動機的最大動力輸出及峰值扭矩分別為7 kW和44 N·m。TARC尚未決定是否將該款電動車進行商業(yè)化。

KLIO Design

關(guān)鍵詞：拓?fù)鋬?yōu)化、定制化的試驗?zāi)Ｐ?/strong>

韓國設(shè)計公司KLIO Design推出了一款名為“Open structure Mobility Concept”的微型電動概念車，其采用3D打印技術(shù)定制車身，共享車輛架構(gòu)平臺，進而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)拓展，為個人用戶、商業(yè)用戶及社會公共交通部門提供了開放式的車輛結(jié)構(gòu)。

拓?fù)鋬?yōu)化（Topology optimisation）

KLIO Design一直致力于形態(tài)建成（morphogenesis）數(shù)學(xué)算法，該單詞源自于兩個希臘單詞——形象（morphê）和起源（genesis）。KLIO Design將從生活中獲得的靈感應(yīng)用到設(shè)計中，借助該數(shù)學(xué)算法生成各類結(jié)構(gòu)樣式（structural pattern），其迭代運算（iterative operation）會持續(xù)進行，直至剩余成分的相對密度達(dá)到1。換言之，該方法旨在確定最優(yōu)的原材料分配。

執(zhí)行拓?fù)鋬?yōu)化旨在找尋設(shè)計變量（design variables）——有限元素的密度（density of finite element），進而滿足目標(biāo)函數(shù)（質(zhì)量下限，minimum mass），設(shè)計團隊需要考量設(shè)計域（design domain）內(nèi)的限制因素——安全系數(shù)（safety factor）。基于拓?fù)鋬?yōu)化，該團隊創(chuàng)建了優(yōu)化后的（質(zhì)量最小化）車身結(jié)構(gòu)形態(tài)，可應(yīng)對外力（行駛時車身所承受的載荷），并為該款概念車的初始形狀設(shè)計提供指導(dǎo)意見。

同時，該設(shè)計團隊還認(rèn)真考慮了車輛所面臨的各種狀態(tài)，如：靜態(tài)、變速行駛、穿過減速帶（speed bumps）、加速或制動甚至側(cè)翻等極端情況，并計算出設(shè)計區(qū)域所受的外力數(shù)值。該公司隨即采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對上述各駕駛情況進行計算分析，然后合并歸納其計算結(jié)果。最后，該設(shè)計團隊對車輛的外觀進行了簡化及分析，為該款概念車的初始設(shè)計形態(tài)制定了設(shè)定準(zhǔn)則。

定制化的試驗?zāi)Ｐ?/strong>

該款概念車幫助KLIO Design創(chuàng)建了試驗?zāi)Ｐ�，可根�?jù)乘客數(shù)量定制化設(shè)計，也可以根據(jù)其用途（個人使用、公用及商用）定制設(shè)計。該款概念車的動力總成被集成到車身底座，由一臺構(gòu)造簡單的電動車系統(tǒng)構(gòu)成，且各部件的尺寸已縮至最小，以便根據(jù)需要實現(xiàn)性能升級并提升其續(xù)航里程數(shù)。該車輛通過集成逆變器（integrated inverter）/變頻器控制單元（converter control unit）來實現(xiàn)對車輛的操控。

目前，KLIO Design采用3D打印技術(shù)制作了該車型的縮放模型及實體車型，后者由塑性粉末材料（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）制成。用于制作該款車型的3D打印設(shè)備性能優(yōu)異，其打印速度及分辨率均處于最高水平，而材料損耗率幾乎接近于零。該設(shè)備主要被用于鑄件制造，可實現(xiàn)快速成形，這是傳統(tǒng)計算機數(shù)控（CNC）制作方法所無法比擬和實現(xiàn)的。該設(shè)備適用于設(shè)計評估，預(yù)計未來將在設(shè)計界得到廣泛應(yīng)用。

由于擔(dān)心該款試驗車型因材質(zhì)問題而導(dǎo)致?lián)p壞，故而未對車身噴涂彩漆，該款概念車的原型車主要由車輛的上部車身（未進行試駕測試）及車身底座（已進行試駕測試）兩大部分組成。

NanoSteel

關(guān)鍵詞：BLDRmetal L-40、激光融合增材制造工藝、表面硬化鋼粉末

NanoSteel最近推出了一款新產(chǎn)品——BLDRmetal L-40，可采用基于粉末床的激光融合增材制造工藝（laser powder bed fusion additive manufacturing process）對其進行加工制作。BLDRmetal L-40產(chǎn)品是一款表面硬化鋼粉末（case-hardening steel powder），硬度高，延展性（韌性）出色（表面硬度>70HRC，鋼芯的延伸率＞10%），可借助3D打印技術(shù)，用標(biāo)準(zhǔn)的商用設(shè)備打印出來。

該合金的性能卓越，可媲美M300 馬氏體時效鋼（maraging steel），可用作H13等工具鋼的替代品，采用3D打印技術(shù)后易于加工。BLDRmetal L-40提升了3D打印技術(shù)在各類硬材質(zhì)市場內(nèi)的應(yīng)用潛力，該產(chǎn)品的設(shè)計定位為工具、模具、軸承及變速齒輪等零部件。

Nanosteel采用3D打印技術(shù)制造了一款8英寸的滾絲板牙套件（roll thread die set），其性能遠(yuǎn)超模具加工機械制作的D2和M2工具鋼。

借助CFK GmbH的快速迭代研發(fā)技術(shù)，NanoSteel研發(fā)了這款高強度合金。CFK GmbH是業(yè)內(nèi)的一家3D打印供應(yīng)商，其專業(yè)技術(shù)有助于實現(xiàn)模具從產(chǎn)品概念到成品件的轉(zhuǎn)換。

美國橡樹嶺國家實驗室

關(guān)鍵詞：大面積增材制造技術(shù)、壓縮塑模、噴嘴

美國田納西州橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的工程師及科研人員已生產(chǎn)出一款工裝，可用于制造汽車發(fā)動機罩。3D打印依賴于大面積增材制造技術(shù)（Big Area Additive Manufacturing，BAAM）技術(shù)。2014年，美國橡樹嶺國家實驗室與Cincinnati、Local Motors等伙伴方采用了BAAM技術(shù)，僅花費數(shù)日就制造出一輛3D打印車輛，隨后又對工藝進行優(yōu)化，借助3D打印技術(shù)制造了一輛謝爾比眼鏡蛇跑車。

汽車業(yè)每年在工裝上的耗費高達(dá)數(shù)十億美元，通常需要鋼制模具或壓模（dies），而上述模具的制作通常很耗時，其獲取成本及維護成本也頗為高昂。Love表示，3D是個不錯的解決方案，采用該技術(shù)將縮短模具及壓模的制作時間。

美國橡樹嶺國家實驗室曾為福特生產(chǎn)國一套壓縮塑模（compression mold），目前正與壓膜制造商Diversified Tooling集團致力于增材工裝的研究。

該項研究定位塑料與金屬增材制造，而3D打印零件則需要對其表面采取精整操作，但Love表示，可采用機加工或涂層使其表面變得更為光滑、閃亮。

橡樹嶺國家實驗室與Strangpresse

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新型噴嘴、3D打印

美國能源部旗下橡樹嶺國家實驗室（ORNL）宣布，他們已與美國俄亥俄州的3D打印技術(shù)公司Strangpresse簽訂了專屬授權(quán)（exclusively licensed）協(xié)議，該協(xié)議涉及到ORNL的一項擠出機相關(guān)的增材制造技術(shù)。據(jù)悉，該項擠出機技術(shù)可打印重大數(shù)百磅的聚合物材料。

該發(fā)明含一個創(chuàng)新型噴嘴，可將材料擠塑成較大的零部件，用于航天、汽車應(yīng)用或原型機，且分辨率高，大幅提升品質(zhì)的同時盡可能材料的粗糙度。

Strangpresse成立于2014年，其主要業(yè)務(wù)是研究、開發(fā)和商業(yè)化工業(yè)級上使用的完全可控的、低重量、熱塑性塑料擠出機。這家位于俄亥俄州Youngstown的公司主要向大學(xué)、研究實驗室和工業(yè)制造企業(yè)出售他們的擠出機和其他3D打印技術(shù)。

喬治亞理工學(xué)院及羅格斯大學(xué)

關(guān)鍵詞：三層體系、增材制造、微型金納米棒

喬治亞理工學(xué)院（Georgia Institute of Technology）及羅格斯大學(xué)（Rutgers University）研發(fā)了新款三層體系（three-layer system），旨在驗證采用增材制造工藝生產(chǎn)的零部件的性能。該系統(tǒng)采用聲學(xué)技術(shù)及其他物理技術(shù)，驗證3D打印機的運營是否與預(yù)期相符，并采用無損探傷技術(shù)（nondestructive inspection techniques）與零部件內(nèi)微型金納米棒（tiny gold nanorods）的埋藏位置是否正確。

該項驗證技術(shù)與控制計算機（controlling computer）內(nèi)的3D打印機固件及軟件無關(guān)。

新款三層體系包含以下三大部分：

對運營中的3D打印機的聲學(xué)測量。可與參照記錄值進行比對，該項聲學(xué)監(jiān)控可采用廉價麥克風(fēng)及過濾軟件（filtering software）探查打印設(shè)備的聲音變化，后者可探查出3D打印機是否安裝了惡意軟件。

對3D打印機部件的物理性追蹤。為創(chuàng)建理想的目標(biāo)物，打印機的擠出機及其他部件或?qū)⒆裱�始終不變的機械路徑（mechanical path），后者可采用廉價的傳感器予以探查。若與預(yù)期路徑不同，則意味著或存在惡意軟件侵襲。

對成品組件內(nèi)的金納米棒的探查。研究人員采用拉曼光譜（Raman Spectroscopy）及計算機斷層掃描（computed tomography，CT）來探查金納米棒的位置，后者已與3D打印機內(nèi)所用的燈絲材料（filament material）相混合。

在諸多挑戰(zhàn)中，最大的困難是在嘈雜環(huán)境中獲取良好的聲學(xué)數(shù)據(jù)，因為3D打印設(shè)備運行時，噪音通常都很大。此外，該項技術(shù)還可被應(yīng)用于其他各類打印設(shè)備及不同材料。

巴斯夫新業(yè)務(wù)公司與Innofil3D公司

關(guān)鍵詞：3D打印用塑料顆粒、3D打印線材、熔絲制造

巴斯夫新業(yè)務(wù)公司（BASF New Business）全資控股總部位于荷蘭埃曼（Emmen, Netherlands）的Innofil3D公司，該筆并購交易無需獲得反壟斷監(jiān)管部門（antitrust authorities）的批準(zhǔn)。巴斯夫新業(yè)務(wù)公司總經(jīng)理Volker Hammes表示：“該并購案達(dá)成后，巴斯夫的業(yè)務(wù)又邁出了一大步。如今，公司不僅能提供3D打印用塑料顆粒，還能提供線材。”

Innofil3D公司是一家領(lǐng)先的高附加值定制化線材（一種長而薄的塑料纖維）制造商，其產(chǎn)品可被用于熔絲制造（fused filament fabrication）。打印制品的功能不僅取決于塑料，還與線材（filaments）始終如一的優(yōu)良品質(zhì)有關(guān)。Innofil3D旗下產(chǎn)品將被添加到巴斯夫旗下3D打印熱線塑料線材中。

Innofil3D將繼續(xù)維持其現(xiàn)有的業(yè)務(wù)活動，并成為核心的線材研發(fā)及生產(chǎn)平臺。Hammes表示：“Innofil3D擁有良好的產(chǎn)品線，而巴斯夫計劃研發(fā)高性能的線材，兩者的緊密結(jié)合將為巴斯夫的3D打印產(chǎn)品方案奠定基礎(chǔ)�！盜nnofil3D團隊經(jīng)驗豐富，將進一步增強巴斯夫3D打印解決方案有限公司旗下團隊的實力。

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、賀利氏

關(guān)鍵詞：增材制造、承力結(jié)構(gòu)有機設(shè)計、流程鏈、3i-PRINT開放性合作平臺

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、賀利氏（Heraeus）這六大公司采用了3D打印前端結(jié)構(gòu)件（front-end structure），將其用于為大眾Caddy經(jīng)典車中，進而演示工業(yè)3D打印（industrial 3D printing）技術(shù)在汽車業(yè)內(nèi)的應(yīng)用。

該結(jié)構(gòu)件質(zhì)地極輕，功能集成度也頗高。該聯(lián)合開發(fā)項目取名為3i-PRINT，上述六家公司共同參與了該工藝的所有研發(fā)階段，其內(nèi)容囊括設(shè)計、模擬、優(yōu)化、制造及零部件的后續(xù)作業(yè)，涵蓋了從概念設(shè)計到最終的整車制造各個環(huán)節(jié)，整個項目歷時9個月。

增材制造（additive manufacturing）對汽車業(yè)的價值

工業(yè)3D打印又稱增材制造，該技術(shù)在大型制造中發(fā)揮著不可或缺的作用，未來或?qū)⑻嵘�成本效益及效能。換言之，未來工業(yè)級3D打印技術(shù)的應(yīng)用將越來越廣，對汽車業(yè)而言更是如此。

若想要真正地實現(xiàn)增材制造在汽車工程中的價值定位（value proposition），那么拓寬機械及輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計將是唯一出路，但前提是先實現(xiàn)零部件的功能整合，盡可能多地將技術(shù)功能集成到各部件中，同時盡可能地減少部件的數(shù)量，進而產(chǎn)生附加值，這也是汽車業(yè)對3D打印青睞有加的另一大原因。3i-PRINT項目旨在借助大眾Caddy概念車，演示其未來技術(shù)的可行性。

為承力結(jié)構(gòu)采用有機設(shè)計

此外，與熱管理、被動安全及流體貯存相關(guān)的功能被集成到了前端模塊內(nèi)，其采用了以載荷為導(dǎo)向的有機設(shè)計（organic, load-driven design）。

發(fā)揮各企業(yè)在整條流程鏈的綜合專長（Combined expertise）

為此，csi entwicklungstechnik的專家們開始設(shè)計、研發(fā)并打造前端結(jié)構(gòu)件，GEREG則負(fù)責(zé)連接增材制造部件并制造最終版的車架，公司將重心放在模擬技術(shù)的研發(fā)及應(yīng)用拓展上，進而合成并優(yōu)化設(shè)計及工藝。Altair提供軟件方案，用于該機構(gòu)件的設(shè)計、優(yōu)化、模擬及研發(fā)工作。在成功完成該概念產(chǎn)品的模擬及設(shè)計后，APWORKS負(fù)責(zé)確定該3D打印結(jié)構(gòu)件的最終尺寸。

當(dāng)前端結(jié)構(gòu)件完成后，APWORKS將采用由EOS研發(fā)的系統(tǒng)，后者是工業(yè)3D打印金屬積聚合物領(lǐng)域的領(lǐng)先技術(shù)供應(yīng)商。賀利氏將負(fù)責(zé)提供并完成高強度鋁合金Scalmalloy®的供貨及質(zhì)量驗證，該材料由APWORKS提供，用于制造零部件。APWORKS為EOS M 400系統(tǒng)研發(fā)了理想的打印參數(shù)設(shè)定值，為打印工藝提供支持。

該項目結(jié)合使用了增材制造技術(shù)及創(chuàng)新材料，成功但地演示了功能集成的可行性，而這恰恰是傳統(tǒng)制造方式所無法提供的。

3i-PRINT開放性合作平臺

3i-PRINT由csi entwicklungstechnik發(fā)起，該項目成為了一個靈活的汽車工程研發(fā)平臺，推動了創(chuàng)新型概念原型車。其理念基于利用新的研發(fā)工具及工業(yè)3D打印等方法。該項目旨在演示并全面開拓最新款制造方法的可行性。3i-PRINT項目是一個開放性合作平臺，可能加速推動新理念的執(zhí)行。

布倫瑞克造型藝術(shù)學(xué)院與奧迪

關(guān)鍵詞：車內(nèi)座椅、動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計、Klara概念車

布倫瑞克造型藝術(shù)學(xué)院（Braunschweig University of Art）的一支設(shè)計團隊在導(dǎo)師Manuel Kretzer帶領(lǐng)下，與奧迪研發(fā)/創(chuàng)新單元（development/innovation unit）開展合作，重新構(gòu)思了車內(nèi)座椅的樣式，并為未來的自動駕駛車輛——Klara量身打造了一款創(chuàng)新型座椅，該座椅采用了動態(tài)結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Klara是奧迪汽車打造的一款人工智能概念車，奧迪旨在通過這款概念車來探索，研究如何利用感性技術(shù)來建立駕駛員與汽車之間的溝通——甚至建立人機信任的反饋。針對Klara汽車座椅的特殊需求，該概念車設(shè)計團隊采用3D打印技術(shù)，制造了一款輕量化汽車座椅。

奧迪公司表示，Klara概念車中有39個電動調(diào)節(jié)馬達(dá)在金屬車體之下工作，憑借一整套靈敏的傳感器，“Klara”概念車以交互和主觀的方式對其周圍環(huán)境作出反應(yīng)。如果車輛覺得接近車輛的人是友善的，那么就會通過閃爍燈光來迎接他們。但是Klara也能夠通過“咆哮”來表達(dá)不滿。

奧迪發(fā)展與創(chuàng)新中心與布倫瑞克造型藝術(shù)學(xué)院的研究團隊共同承擔(dān)了概念車座椅的設(shè)計與3D打印工作。雙方僅耗時三個月（2017年4月-6月）就完成了該項目的研發(fā)與樣品試制。在進行概念車座椅設(shè)計時，該設(shè)計團隊也秉承了Kalar概念車的整體設(shè)計理念。

最初，雙方花了兩天時間用于產(chǎn)品設(shè)計構(gòu)思，隨后該團隊被分為三個小組，各小組成員分別負(fù)責(zé)設(shè)計與制造，材料與舒適度，以及動力與響應(yīng)。

BigRem公司為該設(shè)備的制造提供了支持，該款全尺寸的樣機采用Pro-HT塑料材質(zhì)，這是一款可降解的材料，其強度表現(xiàn)極為出色。

動力與響應(yīng)小組則定制了38個可活動的部件，并將它們安裝到3D打印框架結(jié)構(gòu)的表面。這些部件的視覺和觸覺特性能夠進行動態(tài)調(diào)整，以響應(yīng)不斷變化的駕駛條件。

材料與舒適度小組，在座椅的5個獨立的區(qū)域安裝了高性能纖維織物，提升汽車座椅的穩(wěn)定性與舒適度。

康明斯與橡樹嶺國家實驗室

關(guān)鍵詞：3D打印+增材制造

康明斯與橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）在研發(fā)一款新材料，用于重卡發(fā)動機修復(fù)。當(dāng)車輛在嚴(yán)苛條件下長途行駛后，易造成發(fā)動機受損。相較于更換發(fā)動機的氣缸頭（cylinder head），該研究團隊提出了一種新方法——先“挖空（scooped out）”磨損部分，然后再采用增材制造技術(shù)（cylinder head），放入高性能的合金件，且前者的品質(zhì)要高于原裝鑄件。

該3D打印工藝由ORNL研發(fā)，可用于修復(fù)并增強康明斯發(fā)動機的耐用性，且無需重鑄零部件，大幅降低了成本并提升了節(jié)能性。

來源：蓋世汽車