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3D打印能否替代传统零部件制造技术
发布时间:2020-06-03 信息来源:三迪时空 浏览次数:216

“作为一种零部件制造新技术,3D打印在一定程度上可以提高部分零部件制造的效率和精度,降低成本,其技术本身仍在不断发展之中。全国乘用车市场信息联席会秘书长崔东树在接受《中国汽车报》记者采访时说,这一新技术再度升温,也是解决当前零部件供应链保供难题的有益探索。

 

3D打印提升效率

 

近来,在新型冠状病毒感染引发的肺炎疫情影响下,汽车零部件供应链危机屡现。很多汽车及零部件企业都在想方设法破解这一难题。一些企业开启3D打印制造方式,成为解决难题的办法之一。

 

近日,特斯拉披露,在为特斯拉Model Y生产零部件的企业中,Slant3D是一家用集群化3D打印机进行制造的企业。今年4月,为应对新冠肺炎疫情导致欧美一些汽车零部件企业停工减产的现实问题,该公司开始采用3D打印方式,为特斯拉Model Y制造汽车空调壳体等零部件。此次采用一种聚合物定向能量沉积3D打印新工艺制造零部件,解决了在欧美很多零部件供应商停工减产情况下的零部件供应难题,还提高了这些零部件的生产效率。

 

3D打印技术能解决燃眉之急,提高产销量,还能改善汽车零部件及汽车系统的使用效率。3月以来,本田的研发部门与3D打印企业Autodesk展开合作,设计了一款汽车发动机曲柄轴,并采用3D打印技术制造,从而实现车辆轻量化并提升了发动机燃油经济性。曲柄轴在汽车发动机中发挥着关键作用。该部件能够将活塞摆动转化为旋转力,对耐磨损度有着较高要求。曲柄轴的外形必须耐受燃烧压力,且随时维持转动平衡。上述因素导致曲柄轴的设计大致定型。在发动机技术发展中,曲柄轴几乎没有大的变化。如今,本田3D打印制造的曲柄轴与之前的同类产品相比,可实现减重30%,成为提高燃油经济性的一项新突破。

 

业内专家认为,3D打印技术的优势就是,不必开发制造工具、购置生产设备;灵活性高、适合复杂形状和结构、适合组合材料、工序精简等特点,恰好克服了部分汽车零部件传统生产工艺的不足。当前,汽车零部件行业每年要生产数十亿件金属零部件。3D打印技术一旦成熟,将会对汽车零部件等传统制造业产生革命性影响。

 

越来越多的企业采用3D打印技术制造部分汽车零部件。通用汽车与Autodesk合作,用3D打印制造汽车不锈钢座椅支架。使用3D打印技术,可以使汽车零部件重量减轻40%、强度增加20%。“3D打印现在是我们的灵丹妙药。随着科技不断进步,通用汽车可以借此方法生产数千甚至数万个零部件。通用汽车公司制造总监奎恩这样说。

 

在欧洲汽车行业,也有不少企业已经开始新的探索。当前,大众零部件部门已经初步形成了3D打印制造能力,主要用于尺寸小、结构复杂的高端品牌车型零部件。大众认为,与传统制造工艺相比,3D打印金属零部件不仅能够实现更为复杂的结构,还能减少材料的浪费。此外,3D打印的零部件重量更轻,能够在保证性能的前提下,减少燃油消耗率。如大众车型的A柱,经测试,在不影响强度和耐久性的前提下,使用金属3D打印的结构件能够将A柱加固系统的重量减轻74%。大众表示,今后将采用3D金属打印技术大规模生产汽车零部件。

 

使用3D打印技术生产汽车零部件,除了成本低、效率高之外,还可以解决部分零部件短缺的难题,如已经停产多年或稀有的车型,找零件很难并且价格不菲。而现在可以按照需求,使用3D打印技术生产出指定的零部件。保时捷就用这种工艺为其老款车型生产了约30个零部件。

 

3D打印技术既可以解决汽车零部件生产的精细化、标准化问题,也可以在疫情等非常状态下提供应急的制造方式,是一项值得发展的有前景的新技术。全联车商投资管理(北京)有限公司总裁曹鹤在接受《中国汽车报》记者采访时表示。

 

替代传统制造技术并不容易

 

当前,很多企业已经开启了使用3D打印技术制造汽车零部件的新探索,但要大规模生产汽车零部件,几乎还没有零部件企业完全依靠3D打印方式来完成。

 

3D打印技术在部分汽车零部件制造领域的应用主要涉及四个方面:即动力总成、底盘系统、内饰、外饰。在动力总成上,欧洲跑车制造商兰博基尼利用3D打印技术为其跑车制造发动机管道,可制造出复杂的几何结构。在底盘上,生产装配工具和功能测试是三维打印技术在汽车底盘系统开发和生产中的两个常见应用。兰博基尼还利用工程级热塑性塑料制造高强度汽车底盘原型,并使用高性能工程塑料定制装配工具。在外饰上,3D打印已经成为宝马研发周期中不可或缺的技术。在内饰上,3D打印可以制造仪表板、空调排气扇、方向盘、汽车操纵杆等零部件。

 

3D打印是否意味着可以替代传统制造方式?零部件企业的危机是否来临?其实,这需要客观分析。有人曾表示,当3D打印成本越来越低、技术越来越成熟时,整车生产企业不再需要零部件企业大批量供货,而是需要研发设计服务、依靠3D打印制造即可,大量一线生产工人会被3D打印机替代。假如一旦3D打印技术可以大规模生产大多数零部件,那么对传统零部件企业将构成极大威胁与挑战。

 

业界人士认为,3D打印制造汽车零部件方式,既有优势,也劣势。其主要优势包括:

 

一是设计空间几乎无限。传统制造技术的零部件产品形状有限,零部件制造能力受制于所使用的工具。如传统的车床只能制造一定形状的零部件,制模机仅能制造模铸形状。3D打印机可以突破这些局限,开辟巨大的设计空间,甚至可以制造依靠传统方式难以制造的零部件。

 

二是不再需要大量的技术人员。传统制造的技术人员,需要多年经验积累,才能精确掌握所需要的技能。批量生产和计算机控制的制造机器降低了对技能的要求,非技能制造开辟了新的商业模式,并能在远程环境或极端情况下为人们提供新的零部件制造方式。

 

三是材料多样组合。对传统制造方式而言,将不同原材料结合成单一零部件产品是困难的事,多材料3D打印技术可以将不同原材料融合在一起,具有独特的属性或功能。

 

四是减少废弃副产品。与传统的金属制造技术相比,3D打印机制造金属零部件时产生较少的副产品。传统金属加工方式生产零部件的浪费量惊人,3D打印制造金属时浪费量减少。随着打印材料的进步,净成形制造可能成为更环保的加工方式。

 

五是便携式制造。与传统制造机器相比,3D打印机设备可以自由移动,可以打印制造比自身还要大的物品。

 

同时,3D打印方式的缺点也很明显。首先是材料种类的限制。3D打印机对可以使用的材料有很多要求,如颗粒精细度、粘合度,适宜的湿度、温度等,且很多材料价格也偏高。其次是成本较高,可用于工业制造3D打印机不仅本身成本高,所使用的材料价格也较高,算下来没有成本优势。第三是知识产权问题。随着近年来全世界对产权和知识产权保护的加强,3D打印零部件或许会侵犯发明者的合法权益。

 

事实上,虽然3D打印技术已成功地将部分传统复杂的零部件生产工艺简单化,将材料领域的疑难问题程序化,拥有诸多优势,但扩展3D打印技术的应用还存在一些问题。受技术装备、新型材料、设计软件、质量安全和公共环境等制约和影响,当前仅适用于少批量、小尺寸、高精度、造型复杂的部分零部件的加工制造,还难以代替传统制造业大规模、大批量的加工制造优势。

 

3D打印在一定程度为零部件制造增加了一种新技术,指望其完全替代传统制造方式是不合乎逻辑,也不现实的。中国汽车工业协会顾问杜芳慈向《中国汽车报》记者表示,汽车零部件制造有精冲、铸造、锻造、轧制和车铣刨等多种加工方式,3D打印方式显然难以完全替代,只能在部分领域发挥其特长,对零部件制造而言,各种方式扬长避短、互相补充更重要。

 

的确,3D打印技术在汽车零部件制造上仅用于新产品或关键零部件样机原型原理、可行性方面的验证,在需要验证零部件强度、刚性等物理特性方面应用不多。当前,3D打印技术取代传统铸造、锻造技术进行汽车零部件的大批量、规模化生产还不现实。只有将3D打印技术的个性化、复杂化、高难度的特点与传统制造业的规模化、批量化、精细化相结合,与制造技术、信息技术、材料技术相结合,才能不断推动3D打印技术在汽车零部件产业的创新发展。

 

国内企业应赶超国际先进企业

 

3D打印技术发展速度很快,在汽车零部件制造业的应用也越来越广泛。

 

当前,在国内汽车零部件中,汽车空调、仪表操控台、空调散热片、压缩机端盖、门护板、中冷管、高压电气盒等零部件,已经出现了3D打印制造的产品。此外,萨普汽车已经用3D打印技术制造并交付使用了总成、外饰、金属夹检具等零配件,天津德辉等企业使用3D打印技术制造了袖珍手提板、汽车空调模型、生产工具等产品。

 

时至今日,国内汽车零部件制造企业数量庞大,但整体水平不高,呈现出“大而不强”的现状,使用3D打印技术并不普遍。国内的工业级3D打印制造设备与国外先进水平相比还存在一定差距,大多数设备精密程度、可靠耐用性、耗材供应等方面均有不足,高端设备与耗材均需进口。同时,国内部分工业级3D打印机设备的激光头等关键器件需进口,而且,国内打印耗材的材料质量和品种上还远不如欧美,很多材料尚需进口。

 

当前,世界各主要发达国家的汽车零部件制造业都在发展3D打印技术,3D打印新材料、新技术、新产品不断涌现,应用范围不断扩大,产业规模日益壮大。由于我国3D打印技术起步较晚,在基础理论、材料研发、工艺技术、核心元器件等方面与国际先进水平还有距离,整体产业规模小能力弱,需要构建并完善3D打印产业生态链,从而推动零部件制造产业快速发展。

 

华中科技大学、清华大学、西安交通大学、北京航空航天大学、西北工业大学等高校、科研机构都在进行3D打印技术研究,并有3D打印设备产品。国内已有汽车零部件制造企业,依托高校进行成果的产业化应用。

 

 

 

当前,国内零部件3D打印制造存在的主要问题包括:

 

一是企业重视程度不够,3D打印产业的发展,不仅涉及材料、控制、光电、机械、软件开发等传统和前沿的技术,以及信息技术数字化平台作为支撑,更需要应用验证及优化改进,这就需要汽车零部件制造等相关企业的实践,而3D打印方式并不普遍,在记者采访的数家零部件企业中,很多企业并没有采用3D打印方式制造零部件。一方面是设备价格昂贵、使用的原材料价格高,另一方面是打印技术不够成熟,如一些零部件的强度不够。浙江某零部件公司负责人告诉《中国汽车报》记者。

 

二是市场规模有限。“从传统零部件制造换成3D打印制造,需要技术验证,这就需要时间和成本,这个费用谁来出,而且存在最终不能用的风险,整车厂目前很难接受,所以我们也就没有上3D打印制造项目。正如山东一家零部件企业相关人士所言,国内的工业级3D打印设备在一些关键技术环节还很薄弱,如工件加工流程的连续性、支撑材料的加工和处理技术、部分特种材料的制备技术等,当前都还没达到零部件产品制造的技术标准,由此限制了3D打印零部件的市场拓展。

 

三是产业链不配套。“即使购置了国产或进口的3D打印设备,维修保养也是个问题。广东某汽车注塑件企业负责人告诉记者,国内的3D打印设备还没有形成完整的产业链,服务跟不上,这也是导致3D打印难以大量应用的一个堵点

 

另外,汽车零部件的3D打印制造方面,还存在着技术标准不够健全、专业人才匮乏等问题,同样是制约因素。这需要主管部门制定规划,进行引导,并且要组织力量加强设备及消耗材料的技术研发,完善服务等配套产业链,还需要零部件企业的高度重视,以及与整车企业沟通配合,打通从创新到应用的各个环节,国内零部件企业的3D打印制造才有可能加速发展,在这一领域与国外同行进行市场竞争。杜芳慈认为。

 

国内零部件领域3D打印技术的推广,除了技术及市场因素,还有相关产权保护的法律问题。需要企业高度重视的是,3D打印涉及的知识产权问题不容忽视。中国社会科学院法学研究所研究员李顺德表示,这主要包括两个方面,一方面是3D打印设备的知识产权,如果购买使用了侵权产品,在特定条件下同样要承担法律责任;另一方面是打印的汽车零部件产品,也直接涉及知识产权问题。

 

中国科学技术法学会副会长何敏认为,一方面国内企业的知识产权保护水平亟待提升,另一方面需要在立法中予以完善,例如,需要在《专利法》的修改中完善3D打印的专利保护条款,在专利司法程序中对3D产业领域中出现的争议增加相应司法解释;同理,也要在《著作权法》等相关法律法规中完善相关规定,加强保护力度,为产业发展保驾护航。

 

值得欣慰的是,近年来,国内的3D打印产业得到高度重视,3D打印产业发展在2013年就被列入国家“863”计划,获得了国家研究基金的支持。随后,由工信部、发改委和财政部联合发布了《国家增材制造产业发展推进计划》中,将3D打印提升到国家战略层面,为产业的发展做出了整体规划。这些,都为汽车零部件领域的3D打印制造打下了良好的基础。

 

“此次疫情给全球零部件供应链造成了一些负面影响,对于零部件3D打印制造新技术的发展而言,是压力,也是动力,国外零部件企业推波助澜,对于国内零部件企业来说是机遇,也是挑战。,国内企业应该借此机会,高度重视,抓住机遇,加快技术创新和应用,在3D打印这一新技术的竞争中加速赶超发达国家企业。