評論：不只是打印 3D打印正在改變汽車業！

材料牛注：提到3D打印，如果你的印象還只是打印個模型或玩具，那真的需要惡補知識了 。如今的3D打印技術，已經開始應用于汽車制造業。

電影《Back to the Future》中，2015年的汽車可以在空中行駛。現如今已經到了2016年，汽車卻仍然只能在陸地上行駛。這部制作于1985年的電影充滿創意，應用了眾多現實中找不到的材料。

NanoSteel公司的董事長兼CEO，Dave Paratore說：“現在汽車上應用的半數以上的鋼材是新開發的材料，15-20年前還沒被研究出來。”新型高強度的的鋼材，復合材料和粘結劑使得汽車的重量更輕，強度更好。在汽車生產領域，創新必須永不止步。如今，3D打印技術逐漸應用于汽車制造業，力圖制造出更輕，更好的產品。

2014年，Local Motors公司利用3D打印技術，制造出了第一輛汽車—Strati，其整個車身是由ABS塑料和碳纖維混合材料制成。現在，該公司已經擁有三臺3D汽車模型，以及一臺全自動電動汽車—Olii。另外，2016年10月，Honda公司在日本高新技術博覽會發布了一款新型微通勤車。該車只設有一個座位，車程50英里，車身和控制面板的主要部分均由3D打印而成。3D打印汽車并不是意味著所有部件均由打印而成，打印的主體是裝飾和使用終端。SmarTech公司表明，3D打印技術可以在建立模型方面提高效率。比如Ford公司，從20年前開始使用3D打印技術制備模型，大大減少了設計時間。近日，Ford投資了新型3D技術，試圖將其產業化。

這些舉措無疑將提高該技術在市場中的價值。SmarTech出版社在一份報告宣稱，到今年年底，3D打印汽車的市值將會達到6億美元，到2021年，會增至23億美元。然而有很多反對者聲稱，3D打印汽車不過是一場炒作。他們所指的問題是速度問題。誠然，3D打印的汽車速度并不高。不過，Ford公司也開始對之前發布的型號—由連續液相界面（CLIP）碳材料3D打印的汽車—進行測試。CLIP過程類似于數字光投影（DLP），但是DLP容器只讓光通過其中。相比之下，用于盛放3D打印的碳材料的容器，不但允許光通過，還要有氧氣通過（就像一個隱形眼鏡）。這一舉措能夠降低凝固時間，使工作效率提高25-100倍。

在制作模型方面，3D打印技術能夠超過現有技術嗎？Synergeering 的客戶經理Lindsay Lewis說：“將3D打印技術應用于大規模生產是一個非常大的挑戰。我認為可以將其用于一些貴重物品的低批量生產上，如高端車輛或者軍用車輛。另外，汽車再制造也將成為一種趨勢。生產商想要清理庫存，就會將一些15-20年前的車子進行再制造。” 他還說："總體而言，你必須權衡其中的價值，并且想好要利用3D打印做哪些零件，做模具成本有多少？要記住，成本和速度是底線。

向3D打印出發

從這個底線來看，3D打印技術并不是對所有零件都適用。但是，零件不是將3D打印技術用于汽車產業的唯一途徑。Stratasys直接制造業務總監Ron Clemons說：“越來越多的公司開始使用這一技術打印夾具和固定裝置。不但可以降低成本，還能生產出更多符合人體工程學的工具。另外，從投產到結束，時間上節省了40-90%，成本上節省了60%。3D打印技術節約了設計團隊的時間，培養了其創造一次性自定義組件的能力。”

重量輕，符合人體工程學的工具，其重復利用率會大大增加。在一定程度上解決了日益嚴苛的國際標準。平均燃油經濟性標準(CAFE)產生的罰款正逐年增加，對于安全性的要求也更加嚴格。20年前，抵抗翻車粉碎的車頂強度約為車輛自身的重量，現如今為車身重量的4倍。使材料強度增加，重量減輕，可能會用到“地形優化”（TO），這一方法可以通過CAD軟件包實現。TO用于普通的制造業幾乎不可能實現，但3D打印技術能夠處理復雜的幾何形狀，控制輕質材料的小分子物質，因此大有優勢。

3D打印帶來的優勢除了TO，還有可將多個裝配件合并成一個部分。這一特點可以大大減少裝配時間，提高產品質量。在汽車內飾的制造上，3D打印更是大顯身手，利用激光燒結技術，可以迅速無縫地打印大型或者結構復雜的內部零件。選擇不同的材料也同樣會對產品的質感產生很大的影響。現如今，3D打印技術在汽車制造業上用途越來越廣，然而早期的時候，人們只用它生產一些小而復雜的零件。Ford Focus電動車門上的墊圈就是由碳3D打印制造，不但節省了三分之二的時間，也使得材料性能更加理想化。

?向金屬出發

除了碳的CLIP 3D打印技術，還有許多種類型的3D打印 。盡管最受關注的是塑料3D打印，但也有一些商家開始將目光放在金屬上。已退休的ExOne CEO ，David Burns說：“全球科技產品的制造市值高達900億美元，其中有不到10億美元來源于金屬3D打印機。5年內，這一數值將會變為100億美元。但問題是，什么公司會提供技術，打開受眾范圍？”

人們對金屬3D打印的需求逐年增加。在今年的9月的國際制造技術展覽會上，Oakridge國家實驗室（ORNL）展示了多個3D打印的完全尺寸汽車。ORNL的制造系統研究組長Lonnie Love說：“明年的機械工程博覽會上，我們會現場打印一個挖掘機。”現階段，3D打印大型金屬零件也許不合適也不經濟。但是，隨著對其研究的增加，3D打印的汽車進入千家萬戶也許只是時間問題。

在一些較新的工藝中，液體金屬打印已經變得可行。一對父子受Gauss槍（一種磁流體打印噴頭）啟發發明了Vader系統，它不但可以控制液體的滴落位置，還可以控制液滴的大小。Scott Vader聲稱，他們可以以每小時1磅的速度打印鋁制品，而且成本很低。未來幾年，他們還將進一步致力于解決速度問題，或許可以與傳統生產方式的速度相比擬。另外，他們還將改進打印機噴頭的耐熱性，以打印一些高溫金屬。

目前，埋粉和電子束印刷是金屬打印工業的主要方式。Sciaky公司使用的是送絲電子束技術，類似于真空焊接。焊接方法能夠防止腐蝕和成渣，增強零件的密度和強度。而且真空印刷比惰性氣氛印刷更加便宜。

眾多專家表示，在未來的5年內，3D打印的汽車零件將越來越多，因此新出臺的美國測試和材料學會（ASTM）國際標準倍受歡迎。10月初，全球標準發展組織聲稱，定向能量沉積—這種重要的金屬生產方式，在ASTM中也有了標準。

還是材料問題

Dunham說：“在汽車工業的潮流中，打印鋁合金成為了一大趨勢。然而這項技術還不成熟，發展前景充滿挑戰。

碳纖維和玻璃纖維增強的復合材料能夠提高普通3D打印塑料的強度，使得它們在市場中更有吸引力。但同時也帶來更多的挑戰。Dunham說：“汽車工業并不只是使用一堆復合材料，而是為汽車生產尋求高容量的復合溶液。這里的高容量并不是指已經研究透的添加劑，而是可以發揮優良作用的東西，比如某種材料能提高整體的熱塑擠壓性能。復合溶液是推動3D打印汽車行業發展的“功臣”。

據SmarTech報道，到2021年，汽車制造業中3D打印材料的費用將達到5億3千萬美元。一個重要的原因是復合材料的興起。汽車材料面臨的一個重要的挑戰是，性能會隨環境而改變。汽車會面臨很多環境變化。大部分塑料不能承受高溫，而且這一缺點不僅局限于發動機倉。晴朗的天氣里，車內溫度會達到100華氏度。這個溫度會導致一些聚合物斷鏈，分解。

雖然復合材料和高強聚合物會增加材料的耐熱度，但材料的制備過程將耗費更多地能量。另外，混合物和復合材料會給整合和回收帶來更大的難度。所以，總體來看，3D打印在汽車工業中會繼續發展，但生產能夠飛行的汽車難度頗大，目前也沒有計劃。然而，生活在2062年的卡通人物—Jetsons已經擁有了這樣一輛飛行汽車。所以，工程師們也許還有時間研究它。

原文鏈接：How 3D Printing Is Changing Auto Manufacturing

本文由編輯部楊樹提供素材，王思迪編譯，點我加入材料人編輯部。

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