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3D打印技术将怎样影响汽车制造业

信息来源:foioo.com  时间:2013-12-26  浏览次数:130

     最近两年,随着一轮概念炒作,3D打印技术越来越被人们所看好。美国总统奥巴马也在国情咨文中一再强调3D打印等新兴技术的重要性,这让3D打印技术的相关股票在一段时期内大涨特涨。

  在汽车行业中,福特已经给每一个工作站里配置了一台3D打印机,未来还计划为每一个工程师单独配备一台小型的3D打印机,3D打印技术已经趋于实用化。

  同时,美国的设计公司KOREcologic、数字制造商RedEyeOnDemand以及3D打印制造商Stratsys已经合作完成了第一款用3D打印制造的高燃油效率混合动力车Urbee2,这款三轮7马力(5千瓦)轮驱动的环保混合动力车将在2015年上路。

  那么,未来我们开的汽车会是3D打印机打印出来的吗?3D打印技术会如何影响汽车制造业呢?消费者会从中得益吗?

  神奇的3D打印

  3D打印是快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。

  这个定义说起来绕口,也难以理解,实际上去很简单。

  2008年北京奥运会开幕式的团体操表演,用一个个人的方盒子拼了一个和谐社会的和字。这个和是一个个独立的点拼出来的。

  普通打印机就是这个原理,用一个一个小点拼成图案,这些小点颜色不同,位置不同,这些点集合起来最后就构成了画面。

  而3D打印机,则在普通打印机的原理上多了一步。它先是用类似普通打印机的原理,打出来一个个平面。然后把这些平面一层层累积起来,就构成了立体的物体。

  就像小孩玩的乐高玩具,要用乐高玩具拼出一个圆柱体,那么就先拼成一个小圆饼,然后若干个小圆饼重叠起来就是一个圆柱体。3D打印也是类似的原理。一个个小点打出一个平面,若干个平面重叠起来组成一个物体。这就是3D打印的原理。

  明白了3D打印的原理之后,就很容易理解3D打印的过程:

  首先要明确要打什么,这就需要有一个模型文件。如同平面打印,你得有个图或者文档才行。有这个打印机才知道你要干什么。

  123  然后,你需要有3D打印机把这个文件解码,变成控制打印头动作一系列动作的程序。当打印头完成这一系列动作,3D打印就完成了。

  第三,你要给3D打印机提供打印的材料,如同普通打印机,你要提供墨水或者硒鼓,或者色带,而3D打印机通常是快速成型的粉末金属、塑料、陶瓷、砂子颗粒等。

  第四,你得把打印出来的东西定型,普通打印机里面,喷墨打印机是直接浸在打印纸上,激光打印机是加热。同样3D打印机也需要这么一个过程,粉末金属用激光直接融化定型,塑料可以加热融化、砂子可以粘接,总之需要有一个定型的过程。

  通过这个过程,电脑中的数字文件最后变成了用打印材料积累定型出来的一个物体,这就是3D打印的过程。

  有利必有弊

  在现代工业条件下,我们加工一个零件也好,做一个模型也好,都需要一个先制造一个模具。但制造这个模具的成本很高,不到一定的批量就不值得。或者是用数控机床直接在毛胚料上加工,但是这个方法会浪费掉很多毛胚材料,而且很慢很贵,加工费用以小时计算。

  另外,这两者对于造型特别复杂、精度要求高的零件,加工都会非常困难,加工所需时间也会非常长。

  而3D打印是一层层积累起来,无论造型多复杂的零件,对于3D打印来说,也是一层层平面,打印难度没有任何区别。

  这就如同我们用笔画一个肖像很难,即使是上海科技馆的机器人画像,也只能画个线条,难以和照片相比,而且速度很慢。但是打印机一个个点来打印照片,几秒就可以完成,而且效果非常出色,因为对打印机来说,打印复杂的照片和打一个纯色块原理是一样的。

  因此,对3D打印机来说,造型复杂的物体和最简单的立方体、圆柱体是一样的,而且材料更节省。可以方便快捷并精确地制造造型复杂的物体,这就是3D打印的最大优势。

  然而,如同打印的成本要高于印刷的成本一样,对于大批量制造的产品而言,3D打印的成本要远远高于模具冲压、浇铸、注塑批量生产的成本。

  理论上,可以通过3D打印的方式,制造一辆汽车的外壳,但是这种方式制造出来的汽车价格高的离谱,根本没有竞争力。

  此外,3D打印的材料也有很多限制。3D打印所用的能够快速成型的粉末金属、塑料、陶瓷、砂子颗粒等材料,在成型之后,其性能是有限的。强度、硬度、抗腐蚀、抗冲击这些指标未必能达到实用性的要求。做模型做个样子可以,真正应用到产品上,要经受住使用环境的严酷考验则不那么容易。

  3D打印技术的这些缺陷限制了3D打印技术的应用范围。

  3D打印技术对汽车行业的影响

  就目前阶段3D打印技术的情况,3D打印出成品的汽车的所有零件,或者直接打印出一台汽车,还是不现实的。即使可以打印出来,这辆车也是消费者买不起,用不长久的。所以,3D打印技术对汽车行业来说,更大地意义在于设计和开发层面。

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  (一)设计层面

  传统上,设计师设计一辆汽车,要先从图纸开始,然后用设计软件把概念化的汽车造型变成精确的数据和3D模型。如果没有3D打印技术,下一步就是油泥模型了。

  设计师要先像木匠一样,敲敲打打的制作汽车的骨架;然后像泥瓦匠一样,把滑石粉、凡士林、工业用蜡混合起来制作油泥,然后一层层涂到骨架上;最后,再像艺术家一样,把油泥刮出形状,作出最后的模型,看看画纸上、电脑上的模型在现实中是什么样子。这个过程还是手工业时代的过程,费时费力。

  而使用3D打印技术,设计师只要把电脑制作的3D模型输入3D打印机,3D打印机很快就可以把油泥模型3D打印出来,效率可以大幅度提升。一步进入信息时代。

  汽车不仅仅有一个外壳,汽车内的各个零件如换挡手柄、仪表盘、手套箱、车门把手……,都有一个从电脑到实物的过程。

  使用3D打印技术,工程师在电脑上完成模型设计,设计人员则只需几分钟就能获得实体的打印模型,然后整个研发团队的每个专业人员都可以在打印模型基础上对其进行修改,并与团队中的其他人即时分享对设计方案的改进,实现所见即所得,大幅度提高汽车设计的效率。

  (二)开发层面

  3D打印技术最大的优点是可以方便快捷的制作高精度造型复杂的零件。而汽车中恰恰是有很多造型复杂的高精度零件。

  对于批量比较小、达不到开模规模的高端车而言,3D打印也可以直接制作一些材料能够满足要求的零件,降低成本,譬如F1赛车、豪华车、超跑的一些零件。

  对于需要大批量生产的零件,3D打印因为材料和成本的原因未必能适用。但是3D打印可以制造使用零件,尤其是一些造型非常复杂、精度要求高、需要反复调试的零件。3D打印可以快速制作出一系列具有细微差异的可测试零件来帮助开发出最合适的零件,以确保最后定型生产的是选用了最好的零零件。而由此带来的好处是提高了整个开发效率,缩短了上市周期,并降低了时间和成本,诸如排气歧管、差速器壳、后桥等零件都通过这种方式进行原型开发。

  综合来看,3D打印技术可以大幅度降低汽车开发过程中,和制造过程中的成本,提升工作效率,降低新车型新零件的开发时间,最终这些会反应到汽车的价格和品质上,品质更好,技术更完善、价格更便宜的汽车会因为3D打印技术的普及而出现,消费者也会从中收益

  至于3D打印直接打印出未来大批量生产的汽车,目前还言之过早,至少在大批量3D打印成本降低到传统工艺的水平之前不会出现。

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