寶馬集團(tuán)利用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)零件和制造生產(chǎn)系統(tǒng)輔助工具

2024年5月25日，南極熊獲悉，寶馬集團(tuán)正在利用 3D 打印技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)零件和制造生產(chǎn)系統(tǒng)輔助工具。



● 寶馬集團(tuán)：是汽車(chē)行業(yè)巨頭，也是增材制造 / 3D 打印領(lǐng)域的先驅(qū)。自 1991 年以來(lái)，寶馬一直使用 3D 打印機(jī)生產(chǎn)單個(gè)汽車(chē)零部件，最初用于概念車(chē)、原型車(chē)和賽車(chē)，后來(lái)用于量產(chǎn)車(chē)型。寶馬現(xiàn)在還通過(guò)各種 3D 打印工藝為其生產(chǎn)系統(tǒng)制造許多工作輔助工具。

位于 Oberschleißheim 的增材制造園區(qū)是寶馬集團(tuán)的 3D 打印生產(chǎn)、研究和培訓(xùn)中心，2023 年利用 3D 打印技術(shù)制造了 300,000 多個(gè)部件，而全球所有工廠每年利用 3D 打印技術(shù)制造超過(guò) 100,000 個(gè)部件，包括為員工量身定制的矯形器、教學(xué)和生產(chǎn)輔助工具以及用于 CFRP（碳纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料）車(chē)頂和整個(gè)地板組件的大型重量?jī)?yōu)化機(jī)器人夾持器。

寶馬集團(tuán)增材制造負(fù)責(zé)人 Jens Ertel 表示：“寶馬集團(tuán)生產(chǎn)系統(tǒng)中越來(lái)越多地使用增材制造技術(shù)，有很大優(yōu)勢(shì)。利用 3D 打印技術(shù)能夠快速、經(jīng)濟(jì)、靈活地生產(chǎn)輔助設(shè)備和搬運(yùn)機(jī)器人，能夠隨時(shí)根據(jù)具體要求進(jìn)行個(gè)性化調(diào)整并優(yōu)化重量。重量越輕，生產(chǎn)線速度就越快，周期越短，成本就越低。此外，中期可以使用較小的機(jī)器人，這也可以減少二氧化碳排放。”

輕金屬鑄造產(chǎn)品和工藝規(guī)劃主管 Klaus Sammer 表示：“除了直接增材制造工藝，寶馬集團(tuán)多年來(lái)一直在位于蘭茨胡特的工廠使用砂型 3D 打印技術(shù)來(lái)制造模具。砂型 3D 打印技術(shù)通常用于制造原型鑄件，以及大規(guī)模生產(chǎn)高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件。”

鋁制氣缸蓋的打印模具

寶馬集團(tuán)蘭茨胡特工廠長(zhǎng)期使用砂型 3D 打印技術(shù)制造鋁制氣缸蓋的打印模具。利用砂型 3D 打印技術(shù)，沙子被反復(fù)涂抹成薄層，并使用粘合劑粘合在一起，制作用于制造非常復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模具，然后用液態(tài)鋁填充模具。寶馬同時(shí)使用 voxeljet 的 VJET X 技術(shù)和 ExOne 的 Exerial 系統(tǒng)，以簡(jiǎn)化高度自動(dòng)化的型芯和模具生產(chǎn)。

用于 CFRP 車(chē)頂大型機(jī)器人夾持器的 LFAM（大幅面增材制造）


△ 寶馬集團(tuán)蘭茨胡特工廠的 3D 打印機(jī)器人夾持器

寶馬集團(tuán)蘭茨胡特工廠的輕量化結(jié)構(gòu)與技術(shù)中心長(zhǎng)期使用 LFAM 系統(tǒng)生產(chǎn)大型機(jī)器人夾持器，重約 120 公斤，僅需 22 小時(shí)即可制造完成，然后用于壓機(jī)上，生產(chǎn) BMW M GmbH 車(chē)型的所有 CFRP 車(chē)頂。壓機(jī)首先裝入 CFRP 原材料，夾持器只需旋轉(zhuǎn) 180 度即可取下成品車(chē)頂。與傳統(tǒng)夾持器相比，使用 3D 打印制造的版本重量減輕了約 20%，從而延長(zhǎng)了機(jī)器人的使用壽命，減少了系統(tǒng)的磨損，并縮短了維護(hù)間隔。

機(jī)器人夾持器的獨(dú)特之處在于兩種不同的 3D 打印工藝的完美結(jié)合。真空夾持器和用于提升 CFRP 原材料的針式夾持器的夾具采用 SLS（選擇性激光燒結(jié)）制造，而大型車(chē)頂外殼和軸承結(jié)構(gòu)則采用 LS3DP（大規(guī)模 3D 打�。┲圃臁�LS3DP 能夠經(jīng)濟(jì)且可持續(xù)地生產(chǎn)大型部件，使用注塑顆粒和再生塑料，同時(shí) CFRP 殘余材料也可以使用和回收，制造時(shí)的二氧化碳排放量大約低 60%。

新一代仿生機(jī)器人夾持器



2023 年夏天，寶馬集團(tuán)推出了新一代更輕的仿生機(jī)器人夾持器。仿生機(jī)器人夾持器對(duì)之前的夾持器進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，將 LS3DP 制造的車(chē)頂外殼與 SLS 真空和仿生優(yōu)化的軸承結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。為此，在砂型鑄造中使用了帶有打印芯的模具，然后用復(fù)雜的鋁結(jié)構(gòu)鑄造該模具。新一代夾持器比前代產(chǎn)品輕 25%，這意味著制造 BMW M3 CFRP 車(chē)頂?shù)恼麄�(gè)過(guò)程只需一臺(tái)機(jī)器人即可完成，而以前需要三臺(tái)。

用于底盤(pán)制造的 3D 打印夾持器


△ 寶馬集團(tuán)雷根斯堡工廠的 3D 打印機(jī)器人夾持器

寶馬集團(tuán)還在底盤(pán)制造中使用了采用 3D 打印工藝生產(chǎn)的夾持器，例如，寶馬集團(tuán)雷根斯堡工廠使用 LS3DP 制造的夾持器來(lái)處理車(chē)門(mén)。雷根斯堡車(chē)門(mén)和翻板生產(chǎn)主管 Florian Riebel 表示：“采用 3D 打印生產(chǎn)的優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)能夠提高夾持器的剛性，同時(shí)減輕重量。在后續(xù)項(xiàng)目中，可以使用承載能力較低的機(jī)器人，這有助于降低成本�！�


△ 寶馬集團(tuán)慕尼黑工廠的 3D 打印機(jī)器人夾持器

最近，首批仿生機(jī)器人夾持器已在寶馬集團(tuán)慕尼黑工廠投入使用。該夾持器可以?shī)A持和移動(dòng) BMW i4 的整個(gè)地板組件，支架在重量和最大負(fù)載能力方面進(jìn)行了優(yōu)化，加上所有附加元件后重量?jī)H為 110 公斤，比之前的傳統(tǒng)型號(hào)輕了大約 30%。使用砂型鑄造和鋁制造可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的負(fù)載優(yōu)化結(jié)構(gòu)，最大程度地減輕重量，可以在中期內(nèi)使用更小、更輕的重型起重機(jī)器人，能夠減少能耗和二氧化碳排放。

寶馬集團(tuán)慕尼黑工廠的機(jī)器人技術(shù)主管 Markus Lehmann 表示：“慕尼黑工廠正在不斷擴(kuò)大 3D 打印技術(shù)制造的生產(chǎn)輔助設(shè)備的使用范圍。在夾持器和搬運(yùn)系統(tǒng)領(lǐng)域，使用 3D 打印技術(shù)為現(xiàn)有的夾持器配備單獨(dú)的打印附件，并且已經(jīng)用高度集成和重量?jī)?yōu)化的軸承結(jié)構(gòu)替換了完整的夾持系統(tǒng)。在搬運(yùn)整個(gè) BMW i4 地板組件時(shí)，能夠?qū)⒄麄�(gè)夾持器的重量減輕 30%（50 公斤），從而延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命�！�

3D 打印中的創(chuàng)新軟件解決方案



復(fù)雜的仿生結(jié)構(gòu)是使用特殊的通用軟件工具（例如 Synera）進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算的。BMW iVentures 曾戰(zhàn)略性地投資 Synera 。Synera 可以快速高效地進(jìn)行優(yōu)化，目前已用于寶馬集團(tuán)的許多開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。寶馬集團(tuán)的增材制造園區(qū)擁有一支專(zhuān)家團(tuán)隊(duì)，他們比較各種軟件解決方案并使用軟件來(lái)設(shè)計(jì)組件。在夾持器設(shè)計(jì)方面，寶馬集團(tuán)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了特殊的工作流程，使軸承結(jié)構(gòu)的計(jì)算和生產(chǎn)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率。