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3D打印能否替代傳統零部件制造技術?

  核心提示:作為一種零部件制造新技術,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,其技術本身仍在不斷發展之中。

  最近,特斯拉用3D打印方式生產部分汽車零部件。

  “作為一種零部件制造新技術,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,其技術本身仍在不斷發展之中。”全國乘用車市場信息聯席會秘書長崔東樹在接受《中國汽車報》記者采訪時說,這一新技術再度升溫,也是解決當前零部件供應鏈“保供”難題的有益探索。

  3D打印提升效率

  近來,在新型冠狀病毒感染引發的肺炎疫情影響下,汽車零部件供應鏈危機屢現。很多汽車及零部件企業都在想方設法破解這一難題。一些企業開啟3D打印制造方式,成為解決難題的辦法之一。

  近日,特斯拉披露,在為特斯拉Model Y生產零部件的企業中,Slant3D是一家用集群化3D打印機進行制造的企業。今年4月,為應對新冠肺炎疫情導致歐美一些汽車零部件企業停工減產的現實問題,該公司開始采用3D打印方式,為特斯拉Model Y制造汽車空調殼體等零部件。此次采用一種“聚合物定向能量沉積”的3D打印新工藝制造零部件,解決了在歐美很多零部件供應商停工減產情況下的零部件供應難題,還提高了這些零部件的生產效率。

  3D打印技術能解決燃眉之急,提高產銷量,還能改善汽車零部件及汽車系統的使用效率。3月以來,本田的研發部門與3D打印企業Autodesk展開合作,設計了一款汽車發動機曲柄軸,并采用3D打印技術制造,從而實現車輛輕量化并提升了發動機燃油經濟性。曲柄軸在汽車發動機中發揮著關鍵作用。該部件能夠將活塞擺動轉化為旋轉力,對耐磨損度有著較高要求。曲柄軸的外形必須耐受燃燒壓力,且隨時維持轉動平衡。上述因素導致曲柄軸的設計大致定型。在發動機技術發展中,曲柄軸幾乎沒有大的變化。如今,本田3D打印制造的曲柄軸與之前的同類產品相比,可實現減重30%,成為提高燃油經濟性的一項新突破。

  業內專家認為,3D打印技術最大的優勢就是,不必開發制造工具、購置生產設備;靈活性高、適合復雜形狀和結構、適合組合材料、工序精簡等特點,恰好克服了部分汽車零部件傳統生產工藝的不足。當前,汽車零部件行業每年要生產數十億件金屬零部件。3D打印技術一旦成熟,將會對汽車零部件等傳統制造業產生革命性影響。

  越來越多的企業采用3D打印技術制造部分汽車零部件。通用汽車與Autodesk合作,用3D打印制造汽車不銹鋼座椅支架。使用3D打印技術,可以使汽車零部件重量減輕40%、強度增加20%。“3D打印現在是我們的靈丹妙藥。隨著科技不斷進步,通用汽車可以借此方法生產數千甚至數萬個零部件。”通用汽車公司制造總監奎恩這樣說。

  在歐洲汽車行業,也有不少企業已經開始新的探索。當前,大眾零部件部門已經初步形成了3D打印制造能力,主要用于尺寸小、結構復雜的高端品牌車型零部件。大眾認為,與傳統制造工藝相比,3D打印金屬零部件不僅能夠實現更為復雜的結構,還能減少材料的浪費。此外,3D打印的零部件重量更輕,能夠在保證性能的前提下,減少燃油消耗率。如大眾車型的A柱,經測試,在不影響強度和耐久性的前提下,使用金屬3D打印的結構件能夠將A柱加固系統的重量減輕74%。大眾表示,今后將采用3D金屬打印技術大規模生產汽車零部件。

  使用3D打印技術生產汽車零部件,除了成本低、效率高之外,還可以解決部分零部件稀缺的難題,如已經停產多年或極其稀有的車型,找零件很難并且價格不菲。而現在可以按照需求,使用3D打印技術生產出指定的零部件。保時捷就用這種工藝為其老款車型生產了約30個零部件。

  “3D打印技術既可以解決汽車零部件生產的精細化、標準化問題,也可以在疫情等非常狀態下提供應急的制造方式,是一項值得發展的有前景的新技術。”全聯車商投資管理(北京)有限公司總裁曹鶴在接受《中國汽車報》記者采訪時表示。

  替代傳統制造技術并不容易

  當前,很多企業已經開啟了使用3D打印技術制造汽車零部件的新探索,但要大規模生產汽車零部件,幾乎還沒有零部件企業完全依靠3D打印方式來完成。

  3D打印技術在部分汽車零部件制造領域的應用主要涉及四個方面:即動力總成、底盤系統、內飾、外飾。在動力總成上,歐洲跑車制造商蘭博基尼利用3D打印技術為其跑車制造發動機管道,可制造出復雜的幾何結構。在底盤上,生產裝配工具和功能測試是三維打印技術在汽車底盤系統開發和生產中的兩個常見應用。蘭博基尼還利用工程級熱塑性塑料制造高強度汽車底盤原型,并使用高性能工程塑料定制裝配工具。在外飾上,3D打印已經成為寶馬研發周期中不可或缺的技術。在內飾上,3D打印可以制造儀表板、空調排氣扇、方向盤、汽車操縱桿等零部件。

  3D打印是否意味著可以替代傳統制造方式?零部件企業的危機是否來臨?其實,這需要客觀分析。有人曾表示,當3D打印成本越來越低、技術越來越成熟時,整車生產企業不再需要零部件企業大批量供貨,而是需要研發設計服務、依靠3D打印制造即可,大量一線生產工人會被3D打印機替代。假如一旦3D打印技術可以大規模生產大多數零部件,那么對傳統零部件企業將構成極大威脅與挑戰。

  業界人士認為,3D打印制造汽車零部件方式,既有優勢,也劣勢。其主要優勢包括:

  一是設計空間幾乎無限。傳統制造技術的零部件產品形狀有限,零部件制造能力受制于所使用的工具。如傳統的車床只能制造一定形狀的零部件,制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限,開辟巨大的設計空間,甚至可以制造依靠傳統方式難以制造的零部件。

  二是不再需要大量的技術人員。傳統制造的技術人員,需要多年經驗積累,才能精確掌握所需要的技能。批量生產和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求,非技能制造開辟了新的商業模式,并能在遠程環境或極端情況下為人們提供新的零部件制造方式。

  三是材料多樣組合。對傳統制造方式而言,將不同原材料結合成單一零部件產品是困難的事,多材料3D打印技術可以將不同原材料融合在一起,具有獨特的屬性或功能。

  四是減少廢棄副產品。與傳統的金屬制造技術相比,3D打印機制造金屬零部件時產生較少的副產品。傳統金屬加工方式生產零部件的浪費量驚人,3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步,“凈成形”制造可能成為更環保的加工方式。

  五是便攜式制造。與傳統制造機器相比,3D打印機設備可以自由移動,可以打印制造比自身還要大的物品。
 
  同時,3D打印方式的缺點也很明顯。首先是材料種類的限制。3D打印機對可以使用的材料有很多要求,如顆粒精細度、粘合度,適宜的濕度、溫度等,且很多材料價格也偏高。其次是成本較高,可用于工業制造的3D打印機不僅本身成本高,所使用的材料價格也較高,算下來沒有成本優勢。第三是知識產權問題。隨著近年來全世界對產權和知識產權保護的加強,3D打印零部件或許會侵犯發明者的合法權益。

  事實上,雖然3D打印技術已成功地將部分傳統復雜的零部件生產工藝簡單化,將材料領域的疑難問題程序化,擁有諸多優勢,但擴展3D打印技術的應用還存在一些問題。受技術裝備、新型材料、設計軟件、質量安全和公共環境等制約和影響,當前僅適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復雜的部分零部件的加工制造,還難以代替傳統制造業大規模、大批量的加工制造優勢。

  “3D打印在一定程度為零部件制造增加了一種新技術,指望其完全替代傳統制造方式是不合乎邏輯,也不現實的。”中國汽車工業協會顧問杜芳慈向《中國汽車報》記者表示,汽車零部件制造有精沖、鑄造、鍛造、軋制和車銑刨等多種加工方式,3D打印方式顯然難以完全替代,只能在部分領域發揮其特長,對零部件制造而言,各種方式揚長避短、互相補充更重要。

  的確,3D打印技術在汽車零部件制造上僅用于新產品或關鍵零部件樣機原型原理、可行性方面的驗證,在需要驗證零部件強度、剛性等物理特性方面應用不多。當前,3D打印技術取代傳統鑄造、鍛造技術進行汽車零部件的大批量、規模化生產還不現實。只有將3D打印技術的個性化、復雜化、高難度的特點與傳統制造業的規模化、批量化、精細化相結合,與制造技術、信息技術、材料技術相結合,才能不斷推動3D打印技術在汽車零部件產業的創新發展。

  國內企業應趕超國際先進企業

  3D打印技術發展速度很快,在汽車零部件制造業的應用也越來越廣泛。

  當前,在國內汽車零部件中,汽車空調、儀表操控臺、空調散熱片、壓縮機端蓋、門護板、中冷管、高壓電氣盒等零部件,已經出現了3D打印制造的產品。此外,薩普汽車已經用3D打印技術制造并交付使用了總成、外飾、金屬夾檢具等零配件,天津德輝等企業使用3D打印技術制造了袖珍手提板、汽車空調模型、生產工具等產品。

  時至今日,國內汽車零部件制造企業數量龐大,但整體水平不高,呈現出“大而不強”的現狀,使用3D打印技術并不普遍。國內的工業級3D打印制造設備與國外先進水平相比還存在一定差距,大多數設備精密程度、可靠耐用性、耗材供應等方面均有不足,高端設備與耗材均需進口。同時,國內部分工業級3D打印機設備的激光頭等關鍵器件需進口,而且,國內打印耗材的材料質量和品種上還遠不如歐美,很多材料尚需進口。

  當前,世界各主要發達國家的汽車零部件制造業都在發展3D打印技術,3D打印新材料、新技術、新產品不斷涌現,應用范圍不斷擴大,產業規模日益壯大。由于我國3D打印技術起步較晚,在基礎理論、材料研發、工藝技術、核心元器件等方面與國際先進水平還有距離,整體產業規模小能力弱,需要構建并完善3D打印產業生態鏈,從而推動零部件制造產業快速發展。

  華中科技大學、清華大學、西安交通大學、北京航空航天大學、西北工業大學等高校、科研機構都在進行3D打印技術研究,并有3D打印設備產品。國內已有汽車零部件制造企業,依托高校進行成果的產業化應用。

  當前,國內零部件3D打印制造存在的主要問題包括:

  一是企業重視程度不夠,3D打印產業的發展,不僅涉及材料、控制、光電、機械、軟件開發等傳統和前沿的技術,以及信息技術數字化平臺作為支撐,更需要應用驗證及優化改進,這就需要汽車零部件制造等相關企業的實踐,而3D打印方式并不普遍,在記者采訪的數家零部件企業中,很多企業并沒有采用3D打印方式制造零部件。“一方面是設備價格昂貴、使用的原材料價格高,另一方面是打印技術不夠成熟,如一些零部件的強度不夠。”浙江某零部件公司負責人告訴《中國汽車報》記者。

  二是市場規模有限。“從傳統零部件制造換成3D打印制造,需要技術驗證,這就需要時間和成本,這個費用誰來出,而且存在最終不能用的風險,整車廠目前很難接受,所以我們也就沒有上3D打印制造項目。”正如山東一家零部件企業相關人士所言,國內的工業級3D打印設備在一些關鍵技術環節還很薄弱,如工件加工流程的連續性、支撐材料的加工和處理技術、部分特種材料的制備技術等,當前都還沒達到零部件產品制造的技術標準,由此限制了3D打印零部件的市場拓展。

  三是產業鏈不配套。“即使購置了國產或進口的3D打印設備,維修保養也是個問題。”廣東某汽車注塑件企業負責人告訴記者,國內的3D打印設備還沒有形成完整的產業鏈,服務跟不上,這也是導致3D打印難以大量應用的一個“堵點”。

  另外,汽車零部件的3D打印制造方面,還存在著技術標準不夠健全、專業人才匱乏等問題,同樣是制約因素。“這需要主管部門制定規劃,進行引導,并且要組織力量加強設備及消耗材料的技術研發,完善服務等配套產業鏈,還需要零部件企業的高度重視,以及與整車企業溝通配合,打通從創新到應用的各個環節,國內零部件企業的3D打印制造才有可能加速發展,在這一領域與國外同行進行市場競爭。”杜芳慈認為。

  國內零部件領域3D打印技術的推廣,除了技術及市場因素,還有相關產權保護的法律問題。“需要企業高度重視的是,3D打印涉及的知識產權問題不容忽視。”中國社會科學院法學研究所研究員李順德表示,這主要包括兩個方面,一方面是3D打印設備的知識產權,如果購買使用了侵權產品,在特定條件下同樣要承擔法律責任;另一方面是打印的汽車零部件產品,也直接涉及知識產權問題。

  中國科學技術法學會副會長何敏認為,一方面國內企業的知識產權保護水平亟待提升,另一方面需要在立法中予以完善,例如,需要在《專利法》的修改中完善3D打印的專利保護條款,在專利司法程序中對3D產業領域中出現的爭議增加相應司法解釋;同理,也要在《著作權法》等相關法律法規中完善相關規定,加強保護力度,為產業發展保駕護航。

  值得欣慰的是,近年來,國內的3D打印產業得到高度重視,3D打印產業發展在2013年就被列入國家“863”計劃,獲得了國家研究基金的支持。隨后,由工信部、發改委和財政部聯合發布了《國家增材制造產業發展推進計劃》中,將3D打印提升到國家戰略層面,為產業的發展做出了整體規劃。這些,都為汽車零部件領域的3D打印制造打下了良好的基礎。

  “此次疫情給全球零部件供應鏈造成了一些負面影響,對于零部件3D打印制造新技術的發展而言,是壓力,也是動力,國外零部件企業推波助瀾,對于國內零部件企業來說是機遇,也是挑戰。”曹鶴認為,國內企業應該借此機會,高度重視,抓住機遇,加快技術創新和應用,在3D打印這一新技術的競爭中加速趕超發達國家企業。

  (來源:中國汽車報)

2020/5/21 9:34:00

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本文涉及話題: 汽車零部件

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