3D打印能否代替傳統制造

3D打印提升效率

近來(lái)，在新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情影響下，汽車(chē)零部件供應鏈危機屢現。很多汽車(chē)及零部件企業(yè)都在想方設法破解這一難題。一些企業(yè)開(kāi)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(chǎn)零部件的企業(yè)中，Slant3D是一家用集群化3D打印機進(jìn)行制造的企業(yè)。今年4月，為應對新冠肺炎疫情導致歐美一些汽車(chē)零部件企業(yè)停工減產(chǎn)的現實(shí)問(wèn)題，該公司開(kāi)始采用3D打印方式，為特斯拉Model Y制造汽車(chē)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(chǎn)情況下的零部件供應難題，還提高了這些零部件的生產(chǎn)效率。

3D打印技術(shù)能解決燃眉之急，提高產(chǎn)銷(xiāo)量，還能改善汽車(chē)零部件及汽車(chē)系統的使用效率。3月以來(lái)，本田的研發(fā)部門(mén)與3D打印企業(yè)Autodesk展開(kāi)合作，設計了一款汽車(chē)發(fā)動(dòng)機曲柄軸，并采用3D打印技術(shù)制造，從而實(shí)現車(chē)輛輕量化并提升了發(fā)動(dòng)機燃油經(jīng)濟性。曲柄軸在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機中發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。該部件能夠將活塞擺動(dòng)轉化為旋轉力，對耐磨損度有著(zhù)較高要求。曲柄軸的外形必須耐受燃燒壓力，且隨時(shí)維持轉動(dòng)平衡。上述因素導致曲柄軸的設計大致定型。在發(fā)動(dòng)機技術(shù)發(fā)展中，曲柄軸幾乎沒(méi)有大的變化。如今，本田3D打印制造的曲柄軸與之前的同類(lèi)產(chǎn)品相比，可實(shí)現減重30％，成為提高燃油經(jīng)濟性的一項新突破。

業(yè)內專(zhuān)家認為，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢就是，不必開(kāi)發(fā)制造工具、購置生產(chǎn)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(jiǎn)等特點(diǎn)，恰好克服了部分汽車(chē)零部件傳統生產(chǎn)工藝的不足。當前，汽車(chē)零部件行業(yè)每年要生產(chǎn)數十億件金屬零部件。3D打印技術(shù)一旦成熟，將會(huì )對汽車(chē)零部件等傳統制造業(yè)產(chǎn)生革命性影響。

越來(lái)越多的企業(yè)采用3D打印技術(shù)制造部分汽車(chē)零部件。通用汽車(chē)與Autodesk合作，用3D打印制造汽車(chē)不銹鋼座椅支架。使用3D打印技術(shù)，可以使汽車(chē)零部件重量減輕40％、強度增加20％?！?D打印現在是我們的靈丹妙藥。隨著(zhù)科技不斷進(jìn)步，通用汽車(chē)可以借此方法生產(chǎn)數千甚至數萬(wàn)個(gè)零部件。

在歐洲汽車(chē)行業(yè)，也有不少企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始新的探索。當前，大眾零部件部門(mén)已經(jīng)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(chē)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(shí)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(chē)型的A柱，經(jīng)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(shù)大規模生產(chǎn)汽車(chē)零部件。

使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)汽車(chē)零部件，除了成本低、效率高之外，還可以解決部分零部件短缺的難題，如已經(jīng)停產(chǎn)多年或稀有的車(chē)型，找零件很難并且價(jià)格不菲。而現在可以按照需求，使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出指定的零部件。保時(shí)捷就用這種工藝為其老款車(chē)型生產(chǎn)了約30個(gè)零部件。

“3D打印技術(shù)既可以解決汽車(chē)零部件生產(chǎn)的精細化、標準化問(wèn)題，也可以在疫情等非常狀態(tài)下提供應急的制造方式，是一項值得發(fā)展的有前景的新技術(shù)?！比?lián)車(chē)商投資管理（北京）有限公司總裁曹鶴在接受《中國汽車(chē)報》記者采訪(fǎng)時(shí)表示。

替代傳統制造技術(shù)并不容易

當前，很多企業(yè)已經(jīng)開(kāi)啟了使用3D打印技術(shù)制造汽車(chē)零部件的新探索，但要大規模生產(chǎn)汽車(chē)零部件，幾乎還沒(méi)有零部件企業(yè)完全依靠3D打印方式來(lái)完成。

3D打印技術(shù)在部分汽車(chē)零部件制造領(lǐng)域的應用主要涉及四個(gè)方面：即動(dòng)力總成、底盤(pán)系統、內飾、外飾。在動(dòng)力總成上，歐洲跑車(chē)制造商蘭博基尼利用3D打印技術(shù)為其跑車(chē)制造發(fā)動(dòng)機管道，可制造出復雜的幾何結構。在底盤(pán)上，生產(chǎn)裝配工具和功能測試是三維打印技術(shù)在汽車(chē)底盤(pán)系統開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)中的兩個(gè)常見(jiàn)應用。蘭博基尼還利用工程級熱塑性塑料制造高強度汽車(chē)底盤(pán)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(jīng)成為寶馬研發(fā)周期中不可或缺的技術(shù)。在內飾上，3D打印可以制造儀表板、空調排氣扇、方向盤(pán)、汽車(chē)操縱桿等零部件。

 3D打印是否意味著(zhù)可以替代傳統制造方式？零部件企業(yè)的危機是否來(lái)臨？其實(shí)，這需要客觀(guān)分析。有人曾表示，當3D打印成本越來(lái)越低、技術(shù)越來(lái)越成熟時(shí)，整車(chē)生產(chǎn)企業(yè)不再需要零部件企業(yè)大批量供貨，而是需要研發(fā)設計服務(wù)、依靠3D打印制造即可，大量一線(xiàn)生產(chǎn)工人會(huì )被3D打印機替代。假如一旦3D打印技術(shù)可以大規模生產(chǎn)大多數零部件，那么對傳統零部件企業(yè)將構成極大威脅與挑戰。

業(yè)界人士認為，3D打印制造汽車(chē)零部件方式，既有優(yōu)勢，也劣勢。其主要優(yōu)勢包括：

一是設計空間幾乎無(wú)限。傳統制造技術(shù)的零部件產(chǎn)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(chē)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(kāi)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(shù)人員。傳統制造的技術(shù)人員，需要多年經(jīng)驗積累，才能精確掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)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(kāi)辟了新的商業(yè)模式，并能在遠程環(huán)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(chǎn)品是困難的事，多材料3D打印技術(shù)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(chǎn)品。與傳統的金屬制造技術(shù)相比，3D打印機制造金屬零部件時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統金屬加工方式生產(chǎn)零部件的浪費量驚人，3D打印制造金屬時(shí)浪費量減少。隨著(zhù)打印材料的進(jìn)步，“凈成形”制造可能成為更環(huán)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(dòng)，可以打印制造比自身還要大的物品。

 同時(shí)，3D打印方式的缺點(diǎn)也很明顯。首先是材料種類(lèi)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(jià)格也偏高。其次是成本較高，可用于工業(yè)制造的3D打印機不僅本身成本高，所使用的材料價(jià)格也較高，算下來(lái)沒(méi)有成本優(yōu)勢。第三是知識產(chǎn)權問(wèn)題。隨著(zhù)近年來(lái)全世界對產(chǎn)權和知識產(chǎn)權保護的加強，3D打印零部件或許會(huì )侵犯發(fā)明者的合法權益。

事實(shí)上，雖然3D打印技術(shù)已成功地將部分傳統復雜的零部件生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單化，將材料領(lǐng)域的疑難問(wèn)題程序化，擁有諸多優(yōu)勢，但擴展3D打印技術(shù)的應用還存在一些問(wèn)題。受技術(shù)裝備、新型材料、設計軟件、質(zhì)量安全和公共環(huán)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(yè)大規模、大批量的加工制造優(yōu)勢。

 “3D打印在一定程度為零部件制造增加了一種新技術(shù)，指望其完全替代傳統制造方式是不合乎邏輯，也不現實(shí)的?！敝袊?chē)工業(yè)協(xié)會(huì )顧問(wèn)杜芳慈向《中國汽車(chē)報》記者表示，汽車(chē)零部件制造有精沖、鑄造、鍛造、軋制和車(chē)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(lǐng)域發(fā)揮其特長(cháng)，對零部件制造而言，各種方式揚長(cháng)避短、互相補充更重要。

 的確，3D打印技術(shù)在汽車(chē)零部件制造上僅用于新產(chǎn)品或關(guān)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(shù)取代傳統鑄造、鍛造技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)零部件的大批量、規?；a(chǎn)還不現實(shí)。只有將3D打印技術(shù)的個(gè)性化、復雜化、高難度的特點(diǎn)與傳統制造業(yè)的規?；?、批量化、精細化相結合，與制造技術(shù)、信息技術(shù)、材料技術(shù)相結合，才能不斷推動(dòng)3D打印技術(shù)在汽車(chē)零部件產(chǎn)業(yè)的創(chuàng )新發(fā)展。

 國內企業(yè)應趕超國際先進(jìn)企業(yè)

3D打印技術(shù)發(fā)展速度很快，在汽車(chē)零部件制造業(yè)的應用也越來(lái)越廣泛。

當前，在國內汽車(chē)零部件中，汽車(chē)空調、儀表操控臺、空調散熱片、壓縮機端蓋、門(mén)護板、中冷管、高壓電氣盒等零部件，已經(jīng)出現了3D打印制造的產(chǎn)品。此外，薩普汽車(chē)已經(jīng)用3D打印技術(shù)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(yè)使用3D打印技術(shù)制造了袖珍手提板、汽車(chē)空調模型、生產(chǎn)工具等產(chǎn)品。

時(shí)至今日，國內汽車(chē)零部件制造企業(yè)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(shù)并不普遍。國內的工業(yè)級3D打印制造設備與國外先進(jìn)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(jìn)口。同時(shí)，國內部分工業(yè)級3D打印機設備的激光頭等關(guān)鍵器件需進(jìn)口，而且，國內打印耗材的材料質(zhì)量和品種上還遠不如歐美，很多材料尚需進(jìn)口。

當前，世界各主要發(fā)達國家的汽車(chē)零部件制造業(yè)都在發(fā)展3D打印技術(shù)，3D打印新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現，應用范圍不斷擴大，產(chǎn)業(yè)規模日益壯大。由于我國3D打印技術(shù)起步較晚，在基礎理論、材料研發(fā)、工藝技術(shù)、核心元器件等方面與國際先進(jìn)水平還有距離，整體產(chǎn)業(yè)規模小能力弱，需要構建并完善3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，從而推動(dòng)零部件制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校、科研機構都在進(jìn)行3D打印技術(shù)研究，并有3D打印設備產(chǎn)品。國內已有汽車(chē)零部件制造企業(yè)，依托高校進(jìn)行成果的產(chǎn)業(yè)化應用。

當前，國內零部件3D打印制造存在的主要問(wèn)題包括：

一是企業(yè)重視程度不夠，3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不僅涉及材料、控制、光電、機械、軟件開(kāi)發(fā)等傳統和前沿的技術(shù)，以及信息技術(shù)數字化平臺作為支撐，更需要應用驗證及優(yōu)化改進(jìn)，這就需要汽車(chē)零部件制造等相關(guān)企業(yè)的實(shí)踐，而3D打印方式并不普遍，在記者采訪(fǎng)的數家零部件企業(yè)中，很多企業(yè)并沒(méi)有采用3D打印方式制造零部件?！耙环矫媸窃O備價(jià)格昂貴、使用的原材料價(jià)格高，另一方面是打印技術(shù)不夠成熟，如一些零部件的強度不夠?！闭憬沉悴考矩撠熑烁嬖V《中國汽車(chē)報》記者。

二是市場(chǎng)規模有限?！皬膫鹘y零部件制造換成3D打印制造，需要技術(shù)驗證，這就需要時(shí)間和成本，這個(gè)費用誰(shuí)來(lái)出，而且存在最終不能用的風(fēng)險，整車(chē)廠(chǎng)目前很難接受，所以我們也就沒(méi)有上3D打印制造項目?！闭缟綎|一家零部件企業(yè)相關(guān)人士所言，國內的工業(yè)級3D打印設備在一些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)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(shù)、部分特種材料的制備技術(shù)等，當前都還沒(méi)達到零部件產(chǎn)品制造的技術(shù)標準，由此限制了3D打印零部件的市場(chǎng)拓展。

三是產(chǎn)業(yè)鏈不配套?！凹词官徶昧藝a(chǎn)或進(jìn)口的3D打印設備，維修保養也是個(gè)問(wèn)題?！睆V東某汽車(chē)注塑件企業(yè)負責人告訴記者，國內的3D打印設備還沒(méi)有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，服務(wù)跟不上，這也是導致3D打印難以大量應用的一個(gè)“堵點(diǎn)”。

另外，汽車(chē)零部件的3D打印制造方面，還存在著(zhù)技術(shù)標準不夠健全、專(zhuān)業(yè)人才匱乏等問(wèn)題，同樣是制約因素?！斑@需要主管部門(mén)制定規劃，進(jìn)行引導，并且要組織力量加強設備及消耗材料的技術(shù)研發(fā)，完善服務(wù)等配套產(chǎn)業(yè)鏈，還需要零部件企業(yè)的高度重視，以及與整車(chē)企業(yè)溝通配合，打通從創(chuàng )新到應用的各個(gè)環(huán)節，國內零部件企業(yè)的3D打印制造才有可能加速發(fā)展，在這一領(lǐng)域與國外同行進(jìn)行市場(chǎng)競爭?！倍欧即日J為。

國內零部件領(lǐng)域3D打印技術(shù)的推廣，除了技術(shù)及市場(chǎng)因素，還有相關(guān)產(chǎn)權保護的法律問(wèn)題?！靶枰髽I(yè)高度重視的是，3D打印涉及的知識產(chǎn)權問(wèn)題不容忽視?！敝袊鐣?huì )科學(xué)院法學(xué)研究所研究員李順德表示，這主要包括兩個(gè)方面，一方面是3D打印設備的知識產(chǎn)權，如果購買(mǎi)使用了侵權產(chǎn)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(chē)零部件產(chǎn)品，也直接涉及知識產(chǎn)權問(wèn)題。

中國科學(xué)技術(shù)法學(xué)會(huì )副會(huì )長(cháng)何敏認為，一方面國內企業(yè)的知識產(chǎn)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(zhuān)利法》的修改中完善3D打印的專(zhuān)利保護條款，在專(zhuān)利司法程序中對3D產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中出現的爭議增加相應司法解釋?zhuān)煌?，也要在《?zhù)作權法》等相關(guān)法律法規中完善相關(guān)規定，加強保護力度，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航。

值得欣慰的是，近年來(lái)，國內的3D打印產(chǎn)業(yè)得到高度重視，3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)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(fā)改委和財政部聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計劃》中，將3D打印提升到國家戰略層面，為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了整體規劃。這些，都為汽車(chē)零部件領(lǐng)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(shù)的發(fā)展而言，是壓力，也是動(dòng)力，國外零部件企業(yè)推波助瀾，對于國內零部件企業(yè)來(lái)說(shuō)是機遇，也是挑戰?！?，國內企業(yè)應該借此機會(huì )，高度重視，抓住機遇，加快技術(shù)創(chuàng )新和應用，在3D打印這一新技術(shù)的競爭中加速趕超發(fā)達國家企業(yè)。

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