根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，談到汽車行業(yè)，3D打印目前仍然主要局限在原型和小批量零件的應(yīng)用領(lǐng)域，但我們想改變這一點(diǎn)，那么要將3D打印尤其是金屬3D打印技術(shù)納入到汽車領(lǐng)域的大批量生產(chǎn)，使其成為適合汽車生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)，面臨的挑戰(zhàn)有哪些呢？

汽車行業(yè)需要利用增材制造的具體優(yōu)勢(shì)來(lái)提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)，但是當(dāng)談到用于經(jīng)濟(jì)性的生產(chǎn)，以便將產(chǎn)量從小批量的十幾個(gè)增加到每年100萬(wàn)個(gè)。在業(yè)界能夠打破這個(gè)百萬(wàn)產(chǎn)能障礙之前，3D打印對(duì)于進(jìn)入到汽車的生產(chǎn)線方面將一直處于死胡同。

3D科學(xué)谷

技術(shù)快速進(jìn)化帶來(lái)新機(jī)遇

根據(jù)3D科學(xué)谷，目前增材制造對(duì)于汽車生產(chǎn)來(lái)說(shuō)太慢了，考慮到與相互競(jìng)爭(zhēng)的其他制造方法相比，沖壓機(jī)每六秒鐘可生產(chǎn)一個(gè)零件，而粉末床金屬熔融技術(shù)則需要幾個(gè)小時(shí)才能生產(chǎn)一批小零件。

幸運(yùn)的是3D打印技術(shù)在飛速的進(jìn)化，除了更多的激光器，F(xiàn)raunhofer的futureAM項(xiàng)目還開(kāi)發(fā)了比傳統(tǒng)LPBF系統(tǒng)至少快十倍加工速度的下一代金屬3D打印技術(shù)。

在邁向效率提升的目標(biāo)之路上，除了粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，業(yè)界近幾年還誕生了一些新的技術(shù)，包括修拉Seurat Technologies 的區(qū)域打印方法，Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術(shù)通過(guò)模具打印與金屬填充打印的結(jié)合以最大化生產(chǎn)力，Aurora labs的MCP多點(diǎn)同時(shí)熔化金屬3D打印技術(shù)，通過(guò)洞悉金屬3D打印的新發(fā)展，可以直觀的感受到3D打印技術(shù)的整體發(fā)展正在與汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)化一致的方向發(fā)展，追求汽車行業(yè)所追求的制造效益。 金屬3D打印技術(shù)進(jìn)入到產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域的局限性包括速度、成型尺寸、成本、質(zhì)量一致性等等，根據(jù)MTC大會(huì)，當(dāng)前3D打印的產(chǎn)品價(jià)格中高達(dá)70%的成本來(lái)自設(shè)備成本，而材料也占據(jù)了30%的成本。而在傳統(tǒng)制造工藝中，材料成本不超過(guò)產(chǎn)品成本的3%。

突破當(dāng)前局限，邁向更高的速度，更好的過(guò)程控制，更適合的材料，全世界的3D打印玩家無(wú)不是向這個(gè)方向在發(fā)力。

3D科學(xué)谷

Fraunhofer的futureAM – 掃描振鏡和線性軸系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)

亞琛Fraunhofer ILT已經(jīng)開(kāi)發(fā)出用于LPBF（基于粉末床的金屬熔化3D打印技術(shù)）的下一代新型加工解決方案，該解決方案具有可擴(kuò)展性，可以生產(chǎn)比傳統(tǒng)LPBF系統(tǒng)至少快十倍加工速度的大型金屬部件。目前LPBF系統(tǒng)樣機(jī)提供了大的，有效可用的構(gòu)建體積（1000毫米x 800毫米x 500毫米）。

為了提高系統(tǒng)的生產(chǎn)率，實(shí)現(xiàn)了掃描振鏡和線性軸系統(tǒng)的同步運(yùn)動(dòng)。增強(qiáng)的激光粉床熔化（LPBF）加工策略的另一個(gè)亮點(diǎn)是軟件，用于控制粉末材料熔化時(shí)的能量輸入，可以為每個(gè)熔體軌跡分別設(shè)置工藝參數(shù)，以提高部件質(zhì)量和制造速度。

德國(guó)亞琛Fraunhofer ILT

不僅僅局限在設(shè)備的加工速度、精度方面的開(kāi)發(fā)，F(xiàn)raunhofer的futureAM項(xiàng)目包含了更多“柔性”的增材制造技術(shù)，例如在線過(guò)程控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)，工藝穩(wěn)健性的開(kāi)發(fā)，以及基于數(shù)字孿生的網(wǎng)絡(luò)化流程鏈的開(kāi)發(fā)等。根據(jù)弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所Fraunhofer ILT，增材制造現(xiàn)在處于工業(yè)實(shí)施的門檻上，而從FutureAM項(xiàng)目中共同獲得的專業(yè)知識(shí)現(xiàn)在將轉(zhuǎn)移到工業(yè)應(yīng)用中。

修拉Seurat Technologies 的區(qū)域打印方法

Seurat Technologies 發(fā)明了一種新穎的區(qū)域打印方法，有可能突破當(dāng)今金屬增材制造的限制。這項(xiàng)新技術(shù)并沒(méi)有增加激光源的數(shù)量，而是使用一種全新的光束操縱方法來(lái)增加每次熔化的體積。雖然通常的金屬 AM 系統(tǒng)的光斑直徑為 100 微米，但 Seurat 系統(tǒng)可將 200 萬(wàn)個(gè)激光點(diǎn)傳送到粉末床區(qū)域中，每個(gè)光點(diǎn)的直徑約為 10 微米。使用這種方法，Seurat 可以同時(shí)大幅提高構(gòu)建速度，同時(shí)還可以提高分辨率。與其他單一激光系統(tǒng)相比，Seurat TechnologiesTM 將構(gòu)建速度提高了 1000 倍。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，這種技術(shù)孵化于LLNL國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。使用光尋址光閥（OALV-optically-addressable light valve）作為光掩模，一次性打印整層金屬粉末。使用多路復(fù)用器，激光二極管和 Q開(kāi)關(guān)激光脈沖來(lái)選擇性地熔化每層金屬粉末。近紅外光的圖案化是通過(guò)將光成像到光尋址光閥-OALV上實(shí)現(xiàn)的。

在基于二極管的增材制造工藝中，激光由一組四個(gè)二極管激光器陣列和脈沖激光器組成。它通過(guò)可尋址光閥，對(duì)所需制造的3D模型的二維“切片”圖像進(jìn)行圖案化。激光隨后閃爍一次打印整層金屬粉末，而不是像傳統(tǒng)的選擇性激光熔融系統(tǒng)一樣通過(guò)激光掃描策略來(lái)完成逐點(diǎn)的金屬粉末熔化。

Seurat 的區(qū)域打印技術(shù)通過(guò)將生產(chǎn)力提高到任何現(xiàn)有金屬 3D 打印技術(shù)的極限之上，從而增強(qiáng)了廣為人知的 L-PBF 方法。它的構(gòu)建速度甚至比電弧沉積還要高，但它保持了激光粉末床融合的精度和分辨率，并有可能進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和零件靈活性。

根據(jù)3D科學(xué)谷，作為高產(chǎn)量和面向消費(fèi)者的行業(yè)，成本是汽車行業(yè)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(gè)數(shù)量級(jí)。增材制造將不得不與過(guò)去50年來(lái)經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化的流程相競(jìng)爭(zhēng)，并提供額外的價(jià)值以取代它們。

Seurat的區(qū)域打印技術(shù)突破了現(xiàn)有的單件成本障礙。與當(dāng)今的增材制造技術(shù)相比，第一代系統(tǒng)的成本已經(jīng)降低了 50%。然而，根據(jù)3D科學(xué)谷的了解，Seurat獨(dú)特的技術(shù)原理有可能進(jìn)一步降低成本。Seurat未來(lái)幾代機(jī)器的目標(biāo)是到 2030年制造成本贏過(guò)傳統(tǒng)壓鑄工藝，這將標(biāo)志著增材制造成為主流技術(shù)的突破。

Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術(shù)

3D科學(xué)谷曾在《燒結(jié)變形、幾何形狀受限…間接金屬3D打印的短板正在消失》一文中Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)與幾乎所有其他金屬3D打印工藝相比都是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)樵?D打印過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。這使得高速打印成為可能，并避免了金屬3D打印過(guò)程中的殘余應(yīng)力問(wèn)題。Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)將熱加工過(guò)程轉(zhuǎn)移到燒結(jié)步驟，這使得更容易管理熱應(yīng)力，因?yàn)闊Y(jié)溫度低于其他類型的金屬3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，并且熱量可以更均勻地施加。

間接金屬3D打印適用的材料范圍

3D科學(xué)谷

可以說(shuō)以Binder Jetting為代表的間接金屬3D打印技術(shù)是面向批量經(jīng)濟(jì)型金屬零件的打印應(yīng)用市場(chǎng)而誕生的。

根據(jù)3D科學(xué)谷，目前汽車領(lǐng)域可用的合金通常是用于鑄造或鍛造產(chǎn)品的合金，而對(duì)于3D打印來(lái)說(shuō)，合金的開(kāi)發(fā)則需要考慮增材制造工藝中經(jīng)歷的快速加熱和冷卻速率因素。

尤其是，與PBF金屬3D打印技術(shù)不同的是，間接金屬3D打印對(duì)材料的適用性非常廣。不過(guò)，間接金屬3D打印技術(shù)本身也包含著不同類型的打印技術(shù)。Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術(shù)來(lái)自于弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所的技術(shù)授權(quán)，通過(guò)模具打印與金屬填充打印的結(jié)合以最大化生產(chǎn)力。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察，MoldJet所面向的應(yīng)用市場(chǎng)在3D打印技術(shù)大家族中，與其最相近的正是Binder Jetting粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)。

MoldJet的工藝包括模具打印，模具填充和干燥-逐層重復(fù)進(jìn)行，直到生產(chǎn)出所需的零件為止。每個(gè)單獨(dú)的模具層的布局都可以靈活，獨(dú)立地調(diào)整。這樣就可以生產(chǎn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通道以及帶有90°懸垂式懸垂的零件。不過(guò)根據(jù)3D科學(xué)谷的了解制造過(guò)程并非完全自由無(wú)限制，例如需要避免完全封閉的內(nèi)部通道，否則以后就無(wú)法去除模具材料。

MoldJet的工藝除了與Binder Jetting工藝都有Jetting-材料噴射這個(gè)過(guò)程，與Binder Jetting相區(qū)別的是，MoldJet工藝還具有Mold打印模具的過(guò)程。MoldJet工藝的兩個(gè)基本的工藝步驟是打印模具，使其成為所需零件幾何形狀的框架，并用金屬漿料填充該模具。這兩個(gè)過(guò)程步驟彼此交替。隨后的脫脂與燒結(jié)過(guò)程則與Binder Jetting技術(shù)所對(duì)應(yīng)的后處理過(guò)程類似。

Aurora labs的MCP多點(diǎn)同時(shí)熔化金屬3D打印技術(shù)

澳大利亞金屬3D打印機(jī)制造商Aurora Labs經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，推出了將速度與精度結(jié)合的MCP多點(diǎn)同時(shí)熔化金屬3D打印技術(shù)。Aurora Labs的RMP1 Beta打印機(jī)的打印床尺寸為450 mm x 400 mm，通過(guò)Multi Concurrent Printing（MCP）多點(diǎn)同時(shí)熔化金屬3D打印技術(shù)，比以前的測(cè)試機(jī)器顯著提高速度。

Aurora優(yōu)先考慮優(yōu)化速度提升和打印質(zhì)量，這是Aurora戰(zhàn)略的關(guān)鍵支柱，Aurora Labs還與巨型工程和采礦服務(wù)集團(tuán)Worley Parsons達(dá)成協(xié)議，成立合并的3D打印和咨詢合資企業(yè)，名為AdditiveNow。AdditiveNow提供的服務(wù)包括協(xié)助客戶增加制造計(jì)劃和進(jìn)行優(yōu)化研究，提高可操作性和可制造性以提升效率。合資公司將為客戶提供增材制造相關(guān)的工程服務(wù)，如零件設(shè)計(jì)，定制金屬3D打印，零件優(yōu)化和零件認(rèn)證服務(wù)。

當(dāng)然效率的提升并不意味著3D打印就可以無(wú)縫切入到汽車零件大批量生產(chǎn)的軌道上，除了制造效益的提升，3D打印邁向汽車產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中還存在一系列的難題，其中包括：通過(guò)信息管理系統(tǒng)來(lái)管理增材制造數(shù)據(jù)流；工藝可重復(fù)性、零件到零件的可重復(fù)性；成熟的認(rèn)證和質(zhì)量檢測(cè)方法。

汽車行業(yè)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的需求是3D打印技術(shù)所面臨的另外一個(gè)挑戰(zhàn)，隨著針對(duì)增材制造的標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始浮出水面。這些標(biāo)準(zhǔn)本身還需要獲得在整個(gè)行業(yè)中集體發(fā)展，因?yàn)槟猛ㄓ闷噥?lái)說(shuō)，每年需要數(shù)以億計(jì)的部件，每個(gè)機(jī)器制造商都有其獨(dú)特的粉末是不可持續(xù)的 – 汽車行業(yè)的要求不允許這樣做。而更何況粉末標(biāo)準(zhǔn)僅僅是冰山一角，3D打印行業(yè)的廠家需要協(xié)調(diào)起來(lái)站在行業(yè)發(fā)展的角度看待如何可以共同支持增材制造的發(fā)展，并打破所有重要的障礙。

不過(guò)無(wú)論如何，從行業(yè)發(fā)展的角度來(lái)看，新的3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，新的制造效益標(biāo)桿的設(shè)立，對(duì)于催生整個(gè)行業(yè)出現(xiàn)更多的創(chuàng)新起到了積極的作用，而無(wú)論是哪一種技術(shù)拔得頭籌，對(duì)于3D打印在制造領(lǐng)域發(fā)生深刻影響來(lái)說(shuō)，都具積極意義。