3D打印超靈活汽車框架——可對路面定制車型

2013全球第一臺3D打印汽車Urbee 2的出現(xiàn)，3D打印在汽車制造行業(yè)掀起了一股颶風。目前，諸如奧迪、寶馬、大眾、豐田等知名汽車品牌都已經開始在設計制造中用上3D打印了。

3D打印技術與傳統(tǒng)工藝相結合正在成為當前汽車工業(yè)的主流選擇。德國的汽車開發(fā)商EDAG Engineering就與激光焊接公司Laser Zentrum Nord（LZN）、3D打印巨頭概念激光，以及意大利激光切割專家BLM集團聯(lián)手通過各自的專業(yè)技術，包括3D打印、激光焊接和激光彎曲，打造出了一款質輕、靈活，經生物優(yōu)化的新一代汽車框架NextGen。

在這個聯(lián)合項目中，德國的威斯巴登、漢堡、利希騰費爾斯和 意大利坎圖通過仿生優(yōu)化、混合制造而成的空間架構，為如何才能將需要靈活制造的車身設計變?yōu)楝F(xiàn)實展示出了新的前景。該技術將增材制造的車身節(jié)點與智能加工的型材相結合。在增材制造技術的幫助下，節(jié)點的設計可以具有很高的靈活性和多功能性，這樣就可以在無需額外工具和啟動成本的情況下，“按需”生產不同車型。

次世代空間架構技術范例可以對經過功能整合和仿生優(yōu)化的車輛輕量化結構進行靈活地制造：關于如何才能將可變且極其靈活的、適用于根據負載級別設計的車身的生產理念轉變?yōu)楝F(xiàn)實這個問題，經過仿生優(yōu)化、采用生成式混合制造方法制造的空間架構設計為其展示出了新的前景。

次世代空間架構由增材制造的 3D 節(jié)點和智能加工的鋼制型材組合而成。節(jié)點可以在現(xiàn)場根據不同的車型采用JIS（準時化順序供應）方式制造。重點是將單個部件接合成混合結構，以便制造出經過拓撲優(yōu)化的結構，但這一點目前尚無法實現(xiàn)。

連接時采用的是焊縫細小、熱輸入低的激光焊接法。其幾何基礎是，需要將型材完全套入其中，這一點可以通過對型材進行 3D 測量并按需進行增材制造來實現(xiàn)。這種連接方式可以在對部件進行良好預定位的同時，在較大連接長度上實現(xiàn)整圈焊接。型材將自動通過節(jié)點進行對準和固定。使用盤形激光器和機器人引導的光學元件。此外，用于制造型材和節(jié)點的激光技術可以在裝配過程中實現(xiàn)高度自動化。這種設計在成本結構和節(jié)省時間方面提供了巨大潛力。
3D打印的節(jié)點可以根據不同負載級別進行調整，例如在負載要求較高時可增添加固元件。這樣，每一款車型都能實現(xiàn)重量和功能優(yōu)化。 只有合作伙伴之間的跨學科合作和各個技術專家的高超能力才能確保這個項目成功變?yōu)楝F(xiàn)實。  

次世代空間架構節(jié)點的3D打印工藝可直接根據 3D-CAD 文件逐層生成部件。通過該方法無需使用刀具即可生產出具有復雜幾何結構的部件。它可以制造出使用傳統(tǒng)制造工藝極難或根本無法制造的部件。本設計中的節(jié)點均無法使用傳統(tǒng)的鑄鋼工藝制造。為了確保結構無缺陷，需要在與構造平臺夾角小于45°的平面上設計支撐結構。該支撐結構除了具備單純的支撐功能外，主要還用于承受內部應力并防止部件翹曲。因為節(jié)點的幾何結構較為復雜，所以良好的支撐準備是成功生產的基礎。完成支撐準備之后，將通過虛擬形式把部件切割成單層。在將數(shù)據傳輸?shù)?LaserCUSING 設備上之后，將分配相應的過程參數(shù)，然后啟動構造過程。這些節(jié)點均由 X line 1000R 制造而成，該設備具有適用于此項目的構造空間 (630 x 400 x 500 mm3) 并配有 1 kW 的激光器。

空間架構設計結合了 3D 打印的優(yōu)勢，例如靈活性和輕量構造潛力，以及成熟的型材構造經濟性。在這兩種技術中，激光都處于核心地位。經過拓撲優(yōu)化的節(jié)點實現(xiàn)了最大程度的輕量化和功能的高度整合。無論是節(jié)點還是型材，都可以在不增加成本的同時，根據幾何結構和負載要求進行調整。因此，它們提供了根據負載級別對單個零件進行設計的可能。由此可見，主導思想是要根據車型的要求優(yōu)化進行節(jié)點-型材構造設計。結果就是得到了經過負載路徑優(yōu)化空間架構的結構。通過采用這種設備和刀具使用較少的方法，將來所有車身類型都將能夠經濟地制造并具有最高靈活性。

Concept Laser 有限公司是一家來自德國的獨立企業(yè)。公司自 2000 年成立以來，一直都是激光熔融技術領域的創(chuàng)新推動者，憑借獲得專利的 LaserCUSING技術從事跨行業(yè)的經營活動。LaserCUSING是這樣一種技術：該熔融方法是采用3D CAD 數(shù)據逐層生成部件的熔融技術。在這過程中，粉末狀的金屬通過高能光纖激光器發(fā)生局部熔化。冷卻后，材料凝固。反射鏡偏轉裝置（掃描器）通過對激光束進行偏轉制造出部件輪廓。通過降低構造空間底面、重新涂敷粉末和再次熔化逐層（層厚 15 – 500 μm）構造出部件。該方法可在不使用模具的情況下制造出復雜幾何形狀的部件，而這是常規(guī)制造方法很難或根本無法做到的。

Concept Laser 設備的特點在于對需要連續(xù)處理的切片分割進行隨機控制。這種專利方法可以確保在制造超大型部件時顯著降低應力。
利用 LaserCUSING技術既可以制造帶有貼近輪廓的冷卻系統(tǒng)的模具嵌件，也可以直接制造飾品、醫(yī)療、牙科、汽車、航空航天行業(yè)用的部件。原型件和量產件皆可制造。。
Concept Laser 的激光加工設備可加工不銹鋼、熱作鋼、鈷鉻合金、鎳基合金粉末材料以及像鋁合金和鈦合金這樣的活性金屬粉末材料。
LaserCUSING 為眾多行業(yè)在進行產品開發(fā)的經濟性和速度方面開辟了新的前景，這些行業(yè)包括：
•        醫(yī)療和牙科
•        航空航天工業(yè)
•        刀具與模具制造
•        汽車制造與賽車運動
•        飾品
•        機械制造



未來的車身，尤其是在各種小批量車型的替代驅動系統(tǒng)方面，不僅需要更輕量，而且要求設計上更需具備極高的靈活性�？上攵�知，其結果便會出現(xiàn)越來越多的車輛衍生品，而這些衍生品則需要具備自我調整能力和制造經濟性的車身設計。對此，在可預見的未來，增材制造技術可能會開創(chuàng)一條全新的可行道路。

南極熊小編認為，NextGen這種采用了多種技術制造而成的結構很好地展現(xiàn)了汽車工業(yè)的未來。相信隨著3D打印以及混合制造技術的快速發(fā)展，這樣的設計必定會越來越多。屆時，汽車這種大眾交通工具必定會變得更加多樣化，為我們的生活帶來更多的精彩