對于產(chǎn)業(yè)價值鏈來說，占據(jù)其“頭部”才是真正的利潤來源——產(chǎn)業(yè)微笑曲線
挖掘3D打印技術(shù)的高附加值
汽車行業(yè)正面臨著百年來的巨變，從傳統(tǒng)的動力總成技術(shù)向電氣化的轉(zhuǎn)型，從傳統(tǒng)的交通工具向“第三生活空間”的轉(zhuǎn)變，從傳統(tǒng)的加工技術(shù)向新興的制造模式轉(zhuǎn)身……傳統(tǒng)汽車以及新能源汽車對于輕量化生產(chǎn)工藝的共同需求，消費者對于定制化汽車的濃厚興趣，加諸2020年新冠肺炎疫情對于行業(yè)的影響，都促使汽車制造商尋求更低的開發(fā)成本、更快速的研發(fā)周期以及更個性化的零部件產(chǎn)品以提升市場競爭能力。
汽車研發(fā)屬于資本與技術(shù)密集的產(chǎn)業(yè)，新車的研發(fā)耗資巨大，一輛新車的研發(fā)成本大約在10-500億元，其中很大一部分花在試制上面。為了降低試制成本，汽車行業(yè)很早就引入3D打印技術(shù)，主要用于汽車前端產(chǎn)品研發(fā)，工裝的夾具、檢具制造和個性化定制及改裝。WohlersReport2020指出，2019年全球汽車產(chǎn)業(yè)以16.4%的占有率引領(lǐng)3D打印行業(yè)應(yīng)用，緊隨其后的是消費領(lǐng)域、電子領(lǐng)域和航空航天，分別為15.4%和14.7%。可見，正在經(jīng)歷100多年來最大規(guī)模轉(zhuǎn)型的汽車行業(yè)，正在利用與時俱進的3D打印技術(shù)在市場上大放異彩。
上汽大眾車身研發(fā)高級總監(jiān)&教授級高級工程師沈衛(wèi)東表示，造型是產(chǎn)品研發(fā)最前端的環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的造型模型常常出現(xiàn)與實車效果相去甚遠的問題，3D打印技術(shù)可以保證造型模型和實車一致，設(shè)計師可以更好地評判造型效果以確定造型方案。在零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)驗證方面，通過評價利用3D打印技術(shù)做出的樣品，可以使模具工裝的投入降低，從而將制造時間縮短70%，同時還能降低車重的15%，提高產(chǎn)品成熟度。在車身設(shè)計方面，3D打印技術(shù)更是有著顛覆性的思維，例如傳統(tǒng)的制造工藝無法做出來的圓角，可以通過3D打印技術(shù)完美呈現(xiàn)，幫助設(shè)計師拓展想象力的邊界。
在工裝夾具和檢具的制造方面，沈衛(wèi)東例舉了上汽大眾在長沙總裝工廠遇到的平整度控制難題。在傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量機無法完成的情況下，上汽大眾利用3D打印技術(shù)快速制作了非標(biāo)檢具，很快解決了難題。對于個性化定制，除了安全件，3D打印技術(shù)都可以做出來，從接受客戶訂單到交貨在一周內(nèi)就能完成。對于3D打印如何從概念到實車安裝的零件的制造過程，他還例舉了具有代表性的戴姆勒三步走的策略：第一步是在一個龐大的零件數(shù)據(jù)庫里，找到適合3D打印的零部件；第二步是概念驗證，驗證篩選出來的零件在經(jīng)濟性以及技術(shù)方面是否可行；第三步就是利用3D打印來實現(xiàn)數(shù)字化的零部件生產(chǎn)。
“對于產(chǎn)業(yè)價值鏈來說，占據(jù)其‘頭部’才是真正的利潤來源，如何在研發(fā)、品牌營銷等環(huán)節(jié)通過技術(shù)占據(jù)一定的市場份額，是車企關(guān)注的焦點。3D打印以客戶需求和產(chǎn)品功能為導(dǎo)向的設(shè)計理念提升了產(chǎn)品的附加值，其產(chǎn)品的更新速度對目前汽車工業(yè)的形勢來說也有非常多的利好。不能說3D打印是拯救汽車工業(yè)的最大利器，但其帶來的高附加值應(yīng)用值得我們關(guān)注”，沈衛(wèi)東在解釋產(chǎn)業(yè)微笑曲線的時候說道。
工藝與材料雙重挑戰(zhàn)下的機遇
3D打印的技術(shù)類型主要有SLA、SLS、FDM、SLM、3DP等，成型原理分別是光固化成型、選擇性激光燒結(jié)、熔融沉積、選擇性激光熔融、立體噴墨打印等。選擇合適的3D打印材料與工藝，對產(chǎn)出的零件質(zhì)量至關(guān)重要，而決定用哪種工藝進行零部件的試制還需要一系列的性能驗證，以及對試制費用進行比較。
東風(fēng)汽車集團產(chǎn)品工程高級工程師陳龍舉了用SLS工藝打印塑料進氣歧管試制驗證的例子：進氣歧管主要由歧管上片、歧管下片、密封墊圈、螺紋嵌件、壓管等5個部分組成，其本體材料是尼龍加30%的玻纖。需要驗證的性能包括耐溫性、耐壓性、熱穩(wěn)定性、氣密性、最小拉拔力、表面質(zhì)量等，熱變形溫度需要在150℃以上，性能驗證完成后需要從成本上來考慮使用哪種工藝。
“我們通過SLS工藝與硅膠模試制的費用進行對比，發(fā)現(xiàn)在設(shè)計研發(fā)階段，采用SLS工藝進行小批量試制，在成本上具有一定的優(yōu)勢”，他告訴我們，“并非所有的3D打印零件都可以直接滿足后續(xù)需求，很多情況下需要進行二次處理，例如歧管內(nèi)壁采用樹脂浸滲處理來保證光潔度需求，歧管上下片整體成型保證密封性。后續(xù)還需要通過機加工對裝配面進行處理才能進行后續(xù)的裝配應(yīng)用。”
“目前，我們在3D打印的應(yīng)用過程中主要遇到兩個難點，一個是全彩3D打印在顏色紋理方面還需要提升，以滿足汽車廠商對于汽車造型驗證的需求。另一個是橡膠3D打印材料在耐熱性方面還有很大的提升空間，以滿足汽車設(shè)計驗證過程中對于橡膠材料的需求”，陳龍如是說道。
3D打印并不是最近幾年才興起的，它起源于上世紀(jì)80年代末，其在汽車研發(fā)的高效應(yīng)用讓人們不禁會把目光投向汽車制造領(lǐng)域。一汽大眾（長春）高級工程師吳宏濤談到，3D打印在批量汽車制造上的應(yīng)用主要受制于兩大因素：一方面，汽車零件生產(chǎn)還是以模具為主，因為對于大批量生產(chǎn)，模具的單件成本更低，成型效率更高；另一方面，由于3D打印層與層之間大部分是靠材料自身的重力堆疊在一起的，這使得同材料的3D打印件組織致密度無法與模塑件相比，其性能表現(xiàn)與實際的工藝要求還存在差距。
3D打印作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，研發(fā)投入、技術(shù)發(fā)展對于產(chǎn)業(yè)規(guī)模的拓展具有關(guān)鍵作用，如今3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的滲透越來越明顯。據(jù)悉，截至2019年底，美國通用汽車已擁有17臺StratasysFDM工業(yè)級3D打印機，并通過3D打印為其生產(chǎn)線提速、減重和提升成本效益。2020年6月，寶馬集團斥資1500萬歐元開設(shè)新的增材制造園區(qū)，推動公司在汽車增材制造領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展。
正如吳宏濤對3D打印行業(yè)未來展望時所說，“從汽車行業(yè)看未來3D打印技術(shù)的發(fā)展趨勢，相信未來將會誕生機械性能更好并且更便宜的材料，打印零件的表面質(zhì)量將會更好，成型速度也將更快，設(shè)備參數(shù)將走向開源化。”未來3D打印技術(shù)能發(fā)展得多快，應(yīng)用的行業(yè)領(lǐng)域能夠拓展得多深多廣，我們將拭目以待！
“顛覆”是我們現(xiàn)在談?wù)摰梅浅６嗟囊粋€詞，3D打印脫離了傳統(tǒng)制造加工的束縛，也顛覆我們對傳統(tǒng)制造業(yè)的理解。拋開傳統(tǒng)加工中對模具的依賴，3D打印憑借更高的設(shè)計自由度、更短的產(chǎn)品開發(fā)周期讓其在復(fù)雜的零件加工領(lǐng)域備受青睞。近十年來，3D打印市場的年平均增長率基本保持在25%以上。據(jù)WohlersReport2020數(shù)據(jù)顯示，2019年全球3D打印市場總值達到118.67億美元。
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