评论：不只是打印 3D打印正在改变汽车业！

材料牛注：提到3D打印，如果你的印象还只是打印个模型或玩具，那真的需要恶补知识了 。如今的3D打印技术，已经开始应用于汽车制造业。

电影《Back to the Future》中，2015年的汽车可以在空中行驶。现如今已经到了2016年，汽车却仍然只能在陆地上行驶。这部制作于1985年的电影充满创意，应用了众多现实中找不到的材料。

NanoSteel公司的董事长兼CEO，Dave Paratore说：“现在汽车上应用的半数以上的钢材是新开发的材料，15-20年前还没被研究出来。”新型高强度的的钢材，复合材料和粘结剂使得汽车的重量更轻，强度更好。在汽车生产领域，创新必须永不止步。如今，3D打印技术逐渐应用于汽车制造业，力图制造出更轻，更好的产品。

2014年，Local Motors公司利用3D打印技术，制造出了第一辆汽车—Strati，其整个车身是由ABS塑料和碳纤维混合材料制成。现在，该公司已经拥有三台3D汽车模型，以及一台全自动电动汽车—Olii。另外，2016年10月，Honda公司在日本高新技术博览会发布了一款新型微通勤车。该车只设有一个座位，车程50英里，车身和控制面板的主要部分均由3D打印而成。3D打印汽车并不是意味着所有部件均由打印而成，打印的主体是装饰和使用终端。SmarTech公司表明，3D打印技术可以在建立模型方面提高效率。比如Ford公司，从20年前开始使用3D打印技术制备模型，大大减少了设计时间。近日，Ford投资了新型3D技术，试图将其产业化。

这些举措无疑将提高该技术在市场中的价值。SmarTech出版社在一份报告宣称，到今年年底，3D打印汽车的市值将会达到6亿美元，到2021年，会增至23亿美元。然而有很多反对者声称，3D打印汽车不过是一场炒作。他们所指的问题是速度问题。诚然，3D打印的汽车速度并不高。不过，Ford公司也开始对之前发布的型号—由连续液相界面（CLIP）碳材料3D打印的汽车—进行测试。CLIP过程类似于数字光投影（DLP），但是DLP容器只让光通过其中。相比之下，用于盛放3D打印的碳材料的容器，不但允许光通过，还要有氧气通过（就像一个隐形眼镜）。这一举措能够降低凝固时间，使工作效率提高25-100倍。

在制作模型方面，3D打印技术能够超过现有技术吗？Synergeering 的客户经理Lindsay Lewis说：“将3D打印技术应用于大规模生产是一个非常大的挑战。我认为可以将其用于一些贵重物品的低批量生产上，如高端车辆或者军用车辆。另外，汽车再制造也将成为一种趋势。生产商想要清理库存，就会将一些15-20年前的车子进行再制造。” 他还说："总体而言，你必须权衡其中的价值，并且想好要利用3D打印做哪些零件，做模具成本有多少？要记住，成本和速度是底线。

向3D打印出发

从这个底线来看，3D打印技术并不是对所有零件都适用。但是，零件不是将3D打印技术用于汽车产业的唯一途径。Stratasys直接制造业务总监Ron Clemons说：“越来越多的公司开始使用这一技术打印夹具和固定装置。不但可以降低成本，还能生产出更多符合人体工程学的工具。另外，从投产到结束，时间上节省了40-90%，成本上节省了60%。3D打印技术节约了设计团队的时间，培养了其创造一次性自定义组件的能力。”

重量轻，符合人体工程学的工具，其重复利用率会大大增加。在一定程度上解决了日益严苛的国际标准。平均燃油经济性标准(CAFE)产生的罚款正逐年增加，对于安全性的要求也更加严格。20年前，抵抗翻车粉碎的车顶强度约为车辆自身的重量，现如今为车身重量的4倍。使材料强度增加，重量减轻，可能会用到“地形优化”（TO），这一方法可以通过CAD软件包实现。TO用于普通的制造业几乎不可能实现，但3D打印技术能够处理复杂的几何形状，控制轻质材料的小分子物质，因此大有优势。

3D打印带来的优势除了TO，还有可将多个装配件合并成一个部分。这一特点可以大大减少装配时间，提高产品质量。在汽车内饰的制造上，3D打印更是大显身手，利用激光烧结技术，可以迅速无缝地打印大型或者结构复杂的内部零件。选择不同的材料也同样会对产品的质感产生很大的影响。现如今，3D打印技术在汽车制造业上用途越来越广，然而早期的时候，人们只用它生产一些小而复杂的零件。Ford Focus电动车门上的垫圈就是由碳3D打印制造，不但节省了三分之二的时间，也使得材料性能更加理想化。

 向金属出发

除了碳的CLIP 3D打印技术，还有许多种类型的3D打印 。尽管最受关注的是塑料3D打印，但也有一些商家开始将目光放在金属上。已退休的ExOne CEO ，David Burns说：“全球科技产品的制造市值高达900亿美元，其中有不到10亿美元来源于金属3D打印机。5年内，这一数值将会变为100亿美元。但问题是，什么公司会提供技术，打开受众范围？”

人们对金属3D打印的需求逐年增加。在今年的9月的国际制造技术展览会上，Oakridge国家实验室（ORNL）展示了多个3D打印的完全尺寸汽车。ORNL的制造系统研究组长Lonnie Love说：“明年的机械工程博览会上，我们会现场打印一个挖掘机。”现阶段，3D打印大型金属零件也许不合适也不经济。但是，随着对其研究的增加，3D打印的汽车进入千家万户也许只是时间问题。

在一些较新的工艺中，液体金属打印已经变得可行。一对父子受Gauss枪（一种磁流体打印喷头）启发发明了Vader系统，它不但可以控制液体的滴落位置，还可以控制液滴的大小。Scott Vader声称，他们可以以每小时1磅的速度打印铝制品，而且成本很低。未来几年，他们还将进一步致力于解决速度问题，或许可以与传统生产方式的速度相比拟。另外，他们还将改进打印机喷头的耐热性，以打印一些高温金属。

目前，埋粉和电子束印刷是金属打印工业的主要方式。Sciaky公司使用的是送丝电子束技术，类似于真空焊接。焊接方法能够防止腐蚀和成渣，增强零件的密度和强度。而且真空印刷比惰性气氛印刷更加便宜。

众多专家表示，在未来的5年内，3D打印的汽车零件将越来越多，因此新出台的美国测试和材料学会（ASTM）国际标准倍受欢迎。10月初，全球标准发展组织声称，定向能量沉积—这种重要的金属生产方式，在ASTM中也有了标准。

还是材料问题

Dunham说：“在汽车工业的潮流中，打印铝合金成为了一大趋势。然而这项技术还不成熟，发展前景充满挑战。

碳纤维和玻璃纤维增强的复合材料能够提高普通3D打印塑料的强度，使得它们在市场中更有吸引力。但同时也带来更多的挑战。Dunham说：“汽车工业并不只是使用一堆复合材料，而是为汽车生产寻求高容量的复合溶液。这里的高容量并不是指已经研究透的添加剂，而是可以发挥优良作用的东西，比如某种材料能提高整体的热塑挤压性能。复合溶液是推动3D打印汽车行业发展的“功臣”。

据SmarTech报道，到2021年，汽车制造业中3D打印材料的费用将达到5亿3千万美元。一个重要的原因是复合材料的兴起。汽车材料面临的一个重要的挑战是，性能会随环境而改变。汽车会面临很多环境变化。大部分塑料不能承受高温，而且这一缺点不仅局限于发动机仓。晴朗的天气里，车内温度会达到100华氏度。这个温度会导致一些聚合物断链，分解。

虽然复合材料和高强聚合物会增加材料的耐热度，但材料的制备过程将耗费更多地能量。另外，混合物和复合材料会给整合和回收带来更大的难度。所以，总体来看，3D打印在汽车工业中会继续发展，但生产能够飞行的汽车难度颇大，目前也没有计划。然而，生活在2062年的卡通人物—Jetsons已经拥有了这样一辆飞行汽车。所以，工程师们也许还有时间研究它。

原文链接：How 3D Printing Is Changing Auto Manufacturing

本文由编辑部杨树提供素材，王思迪编译，点我加入材料人编辑部。

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