汽車領域：聚合物增材制造VS金屬增材制造，誰更勝一籌？

導讀：隨著工藝變得更快、更具成本效益，汽車行業(yè)將成為增材制造技術的下一個主要增長領域。如今，增材制造足以支持汽車行業(yè)的更高需求，包括豪華汽車（已在一定程度上采用金屬增材制造進行生產的細分市場）和賽車運動（現已廣泛采用增材制造實現定制化）。那么聚合物增材制造和金屬增材制造在汽車領域誰更勝一籌？



聚合物增材制造在汽車領域的應用

自 20 世紀 80 年代末第一個增材制造技術出現以來，汽車增材制造（以快速原型制造的形式）一直是汽車行業(yè)發(fā)展的核心之一。通用汽車公司是最早一批安裝并使用 3D 打印機（3D Systems 的 SLA-1）的公司之一。此后，增材制造進入了汽車工業(yè)的新領域，例如賽車運動和豪華限量版汽車，開辟了汽車行業(yè)的新領域，實現大規(guī)模定制的可能性。

●汽車增材制造的下一個也是最后一個階段是增材制造從根本上改變供應鏈和生產動態(tài)，成為工具標準并為備件和報廢管理提供新的可能。
●汽車增材制造最終目標是使用增材制造技術，使汽車零部件的批量生產數字化和進一步自動化，并在車輛大規(guī)模定制方面提供一些機會。

特別是，電動汽車 (EV) 和氫動力發(fā)展將受益于并進一步推動增材制造的采用。首先，由于需要大規(guī)模原型設計來快速開發(fā)基于新推進范例的下一代車輛。其次，重量優(yōu)化和集成組件是成為車輛延長行駛里程和降低能耗的關鍵要求。





△Airtech 通過使用由 Airtech 的 Dahltram 打印樹脂制造的 3D 打印模具以及 Print-Tech 內部 3D 打印服務，為保時捷賽車提供空氣動力學增強功能，從而協助 BBi Autosport 的車輛制造。

由于汽車是最早轉向增材制造進行批量生產的主要行業(yè)之一，這種范式轉變對于增材制造和全球制造業(yè)都具有極其重大的影響，可以擴展到與零部件生產相關的所有行業(yè)，從原材料到全球制造業(yè)。鑒于全球汽車市場的龐大規(guī)模，汽車增材制造技術的發(fā)展?jié)摿�巨大。隨著熱粉床熔融（MJF、HSS、SAF）和高速光聚合（DLS、cDLM 等）等高通量增材制造技術的不斷成熟，人們會看到聚合物增材制造應用在汽車領域的持續(xù)發(fā)展。

汽車領域及其子領域的生產要求是獨特的，除了其不斷變化的趨勢（需求、法規(guī)、規(guī)模經濟）之外，還有基本特征（高生產率要求、較低的材料成本、高自動化生產、地緣政治局勢、供應鏈動態(tài)）和宏觀趨勢（推進系統(tǒng)、大規(guī)模定制、智能移動、互聯互通和數字化）。

雖然大多數汽車制造商已經制定了在大眾市場汽車制造中實施增材制造的戰(zhàn)略，并且增材制造硬件制造商熱切地等待著他們這樣做，但在不久的將來，大多數增材制造將繼續(xù)在更具體和有針對性的領域實施，從越來越多的大量用于賽車運動（F1、納斯卡、小型比賽和研究比賽）或一次性車輛擴產到大眾市場汽車領域，包括公共汽車、卡車等商用車。

金屬增材制造在汽車行業(yè)的應用

現如今，大眾市場汽車金屬零件的 3D 打印仍然遙不可及，這需要金屬增材制造生產力的重大范式轉變，金屬3D打印技術尚未在商業(yè)層面得到充分部署。而同時，一些金屬 PBF（AddUp、SLM Solutions、EOS、Velo3D）技術日益發(fā)展，并用于汽車和輪胎行業(yè)的模具生產中。

金屬3D打印在汽車行業(yè)發(fā)揮著多方面的作用：
●原型設計和概念車的關鍵工具，促進設計的快速迭代和新概念的功能測試，最終加快開發(fā)過程。
●使汽車制造商能夠根據特定車型和個人客戶喜好制作定制組件，包括發(fā)動機零件、排氣系統(tǒng)甚至個性化的內飾功能。

超級跑車生產（以及最終大規(guī)模生產）中金屬增材制造最著名的例子來自 Divergent。近十年前，Divergent首創(chuàng)了一種最大限度地利用激光金屬 PBF 的生產方法，現在稱為發(fā)散自適應生產系統(tǒng) (DAPS)，包括一組專門設計的工具、流程和程序，能夠確保 DAPS 滿足所有國際標準和客戶要求。此工藝已獲得 ISO、AS 和 IATF 認證，證明了該工藝的穩(wěn)健性和環(huán)境可持續(xù)性（目前通用原子公司正在無人機生產中實施）。


△Czinger C21 汽車內的 3D 打印變速箱由 Divergent 使用 DAPS 技術開發(fā)和生產。，Czinger C21 采用 3D 打印底盤和“功率密度最高”的 3D 打印 ICE 發(fā)動機。

金屬 3D 打印可以生產輕質但堅固的結構元件，有助于減輕車輛整體重量。這可以提高燃油效率并增強性能，通過提高充電之間的行駛里程能力，為電動汽車時代帶來關鍵優(yōu)勢。使用金屬增材制造工藝的電動汽車動力系統(tǒng)已經出現了一些不同的實驗應用，包括保時捷和 SLM Solutions 的發(fā)動機變速箱上的 3D 打印電動驅動外殼，這些都表明了增材制造也適用于電動跑車中較大且高應力的部件。德國初創(chuàng)公司 Additive Drives 開發(fā)了用于電動機的高效銅 3D 打印繞組（用于原型制作），目前正在開發(fā)全 3D 打印電動機。

金屬 3D 打印可以創(chuàng)建復雜且難以實現的幾何形狀，特別有利于熱交換器和冷卻系統(tǒng)等組件。此外，它還可以生產渦輪增壓器和懸架部件等高性能零件，從而提高車輛的速度、操控性和整體能力。除了零部件生產外，金屬增材制造還通過制造工裝、模具和夾具來簡化制造流程，有效降低生產成本和交貨時間。


△Azoth 在通用汽車生產的車輛上使用粘合劑噴射技術制造了第一個金屬 3D 打印零件。

一個特別令人興奮的領域是經典和老式汽車，當所有原始生產工具早已丟失時，金屬 3D 打印與通過 3D 掃描進行的逆向工程相結合，可以帶回稀有或過時的零件，從而延長這些汽車的使用壽命。此技術的優(yōu)勢還延伸到輕質高效的制動系統(tǒng)、優(yōu)化的排氣系統(tǒng)及其在要求苛刻的賽車運動行業(yè)中的廣泛應用，一級方程式賽車現在對其車隊采用增材制造技術更加開放，不僅用于開發(fā)，還用于最終用途零件。最終，金屬增材制造將通過實現本地化零件生產、減少對大量庫存和長途運輸的依賴，不斷提高汽車供應鏈的效率。為了確保車輛安全，它允許定制安全關鍵部件，例如防滾架加強件和沖擊吸收結構，從而提高車輛的整體安全性。


△汽車領域聚合物增材制造和金屬增材制造的硬件、材料和服務總收入(2023-2033 年預測)

汽車領域聚合物增材制造和金屬增材制造分析

VoxelMatters Research預測，到2033年底，汽車領域的金屬增材制造收入將增長至41%，而聚合物增材制造收入份額將下降10個百分點，占剩余的59%。聚合物增材制造的收入將從2023年的8.5億美元增至2033年的79億美元，復合年增長率為25%，而金屬增材制造的收入將從2023年的3.76億美元增至54億美元，復合年增長率為30.5%。


△汽車領域聚合物增材制造和金屬增材制造的硬件收入(2023-2033 年預測)

2023 年，增材制造硬件在汽車領域的收入為 5.52 億美元，同比增長 20.8%；到 2033 年，這一數字將增至 60 億美元，復合年增長率為 27%。如今，聚合物增材制造硬件約占汽車增材制造硬件銷售額的三分之二 (65%)，而金屬增材制造硬件則占 35%。十年后，預計聚合物增材制造硬件的百分比將達到 57%，金屬增材制造硬件的百分比將達到 43%。


△汽車領域聚合物增材制造和金屬增材制造的材料收入（2023-2033 年預測）

調查研究預計汽車領域增材制造材料的收入將從 2023 年底的約 1.6 億美元增長到 2033 年底的 18 億美元以上。雖然金屬僅占所有材料收入的 30% 左右，但到 2023 年，將在汽車增材制造領域占到所有材料收入的 50%，之后將繼續(xù)擴大其在聚合物材料方面的市場份額。

這表明金屬將變得越來越重要，因為金屬增材制造硬件將提高其生產高價值零件的生產率，在大規(guī)模制造應用中也是如此，因為可以通過減少子組件和提高零件性能來創(chuàng)造更大的價值。與此同時，隨著聚合物增材制造技術變得更加高效并適合汽車零部件的大規(guī)模生產，聚合物增材制造材料價格將大幅下降，以便與注塑成型應用充分競爭，即使是在價格較低的零部件上。


△汽車領域聚合物增材制造和金屬增材制造的增材制造服務機構的零部件產品收入(2023-2033 年預測）

增材制造服務機構的零部件產品年收入預計將從 2023 年底的 5.16 億美元增至 2023 年底的 54 億美元，復合年增長率為 26.4%。盡管金屬材料的收入要高得多，但 2023 年和 2033 年收入的最大份額來自聚合物增材制造零件。

有幾個因素影響著這一趨勢。首先，該數據僅指增材制造服務（而材料數據指所有材料需求，包括所有垂直汽車增材制造最終用戶，例如原始設備制造商和一級、二級供應商）。雖然聚合物增材制造服務可能會成為許多最終用戶的流行外包解決方案，但有一部分人偏向在內部進行金屬增材制造活動，以便更好地控制可能會出現問題的零件的流程。

另一個需要考慮的因素是，雖然隨著產量和采用量的增加，聚合物材料的價格將大幅下降，但聚合物 3D 打印應用的價值仍將保持相當高的水平。另一方面，金屬增材制造材料的高價格可能會限制整體生產力，從而限制增材制造服務提供商產生的總收入。