輕量化、個性化制造…傳動系統制造商GKN 眼中的3D打印潛力
談到3D打印在汽車制造中的應用，人們對其固有的印象是這項技術又貴又慢，發展至今仍難以滿足汽車零部件批量制造的需求。的確，汽車制造業對3D打印技術的應用目前仍然主要局限在原型快速制造領域。在最終零部件的生產領域，汽車制造用戶往往難以找到3D打印技術的應用結合點。但是根據3D科學谷的市場觀察，隨著3D打印-增材制造技術的發展，國際上知名汽車制造商和汽車核心零部件制造商，加強了3D打印技術在制造最終零部件中的應用，特別是在制造輕量化、功能集成等極具創新性的復雜零部件時，3D打印技術成為一種有潛力的新興生產技術。
“驅動3D打印影響應用端的因素是附加值創造”，附加價值包括：更低的成本，更穩定的質量，更高的效率，更長的產品壽命。著名傳動系統制造商GKN ，看到了3D打印在汽車零部件附加值創造中的價值，并將3D打印技術引入到下一代汽車的開發中。
創新性復雜零部件
GKN 所理解的3D打印價值有兩個層次，包括這一技術在新產品快速研發中承擔的重要角色，以及在生產創新性復雜零部件中的潛力。汽車行業的一個趨勢是更短的產品開發階段和更高的質量，在這種趨勢下，由于3D打印技術能夠實現零部件設計的快速多次迭代，從而能夠幫助汽車制造業用戶應對產品開發周期縮短的要求。
圖片：通過3D打印汽車零件能夠在1個月內完成試制，無需模具成本。來源：GKN
通常零部件制造商需要充分的時間來提高質量或進行多次迭代，特別是在開發高度創新的零件時由于需要進行多次設計迭代，因此所需研發時間更長，而金屬3D打印技術憑借其無需模具的優勢，為這類產品實現快速迭代的難題，在短時間內將多次迭代擬合到最終設計中。
GKN 探索的3D打印應用不局限于原型制造，他們看到3D打印為汽車市場提供了極具吸引力的機會，根據GKN 增材制造技術客戶經理Markus Bürger，3D打印所帶來的機會包括：
- 通過輕量化的定制幾何形狀減少部件重量，減少燃料消耗和二氧化碳排放；
- 車輛的個性化制造；
- 更快的研發下一代汽車。
為了創造下一代汽車，GKN正在快速走向新途徑。GKN 針對粉末床金屬熔化（PBF) 3D打印的特點對產品的設計思路的創新，如為功能而設計、一體化設計、自由造型等。這些創新方式促進了下一代汽車的研發。
圖片：金屬3D打印在汽車零部件創新中的應用。來源: GKN
GKN與汽車制造商保時捷通過金屬3D打印開發新型電子驅動動力總成的新應用。GKN根據粉末床金屬熔化3D打印技術的特點，針對更高的設計自由度、更高效、更集成的動力系統開發了特定的鋼材料，這種鋼材料能夠承受高磨損和負載，并結合3D打印所實現的功能集成進一步減輕重量。另一方面，保時捷工程部門正在研究如何在其電子驅動動力系統中實施新材料。采用結構優化技術結合GKN的材料，保時捷實現了差速器的獨特設計（包括齒圈），通過這種齒輪減重和剛性形狀的組合，實現了更高效的傳動。
圖片：電子驅動動力總成。來源：GKN
著金屬增材制造繼續發展并成為主流工藝，該應用不僅可以擴展到原型或賽車運動，而且還可以擴展到批量生產。
Review
3D打印目前仍然主要局限在原型制造領域。那么，想改變這一點并將3D打印尤其是粉末床金屬熔融技術納入到汽車領域的大批量生產，使其成為適合汽車生產的經濟可行的技術，面臨的挑戰有哪些呢？
在產量之路上，現實和目標之間存在五個主要障礙 ：
機器尺寸：由于大多數粉末床金屬3D打印設備都有明顯的加工尺寸限制，當前普遍限制在400毫米，或者在600毫米（根據3D科學谷的市場研究），因此我們可以一次性整體創建的部件只有少數幾個。即便對于小型部件來說，機器尺寸仍然限制了產能，就拿一次性創造五到十個零件來說 – 這與一百萬個零件產能的需求還是存在非常大的挑戰。而這僅僅是小型零件的加工，對于非常大的鑄件和沖壓件的距離，還有很長的路要走。
準確性：粉末床金屬3D打印設備的成本已經很高了，即便如此還需要考慮需要增加后期處理的人力和費用，這使得該技術的價格太貴了。直到增材制造能夠以最小的后處理需求來創建精確的零件，目前對于大規模汽車生產而言，經濟上是否可行是非常關鍵的考量因素。
材料：大多數3D打印材料目前主要適用于醫療和航空航天工業，而這兩個領域的產品生命周期特點以及成本結構是可以接納3D打印技術的，尤其對于那些昂貴的加工材料來說。
目前汽車領域可用的合金通常是用于鑄造或鍛造產品的合金，而對于3D打印來說，合金的開發則需要考慮增材制造工藝中經歷的快速加熱和冷卻速率因素。
效率：目前增材制造對于汽車生產來說太慢了，考慮到與相互競爭的其他制造方法相比，沖壓機每六秒鐘可生產一個零件，而粉末床金屬熔融技術則需要幾個小時才能生產一批小零件。
成本：作為高產量和面向消費者的行業，成本是汽車行業的主要因素。例如，鑄造工藝，雖然增材制造可以將許多零件組合在一起一次完成，但鑄造幾乎可以便宜兩個數量級。增材制造將不得不與過去50年來經過不斷優化的流程相競爭，并提供額外的價值以取代它們。
所有這些問題都不能由單一實體來解決 – 甚至單獨一個部門都無法解決。盡管機器制造商正在努力滿足規模和生產能力的要求，但作為汽車生產商也必須主動探索，目前通用汽車正在關注材料開發和工藝。例如，通用汽車正在研究金屬粉末的開發和處理作為與產能相關的函數，利用先進的建模技術可以幫助解決希望克服增材制造目前的障礙。
(責任編輯：admin)
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