增材制造（3D打印）技術(shù)的出現(xiàn)，成為了多個產(chǎn)業(yè)邁入轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵推手。以汽車制造為例，一方面，傳統(tǒng)大批量、單一品種的生產(chǎn)制造正在逐步向更柔性、更短開發(fā)周期的方向靠近，另一方面，面向高性能組件、“環(huán)保”驅(qū)動系統(tǒng)的加工也因此能夠輕松駕馭。
福特F150 皮卡（圖片來源：福特）
在過去，以激光光源為核心的3D打印工藝曾為福特汽車（Ford）制造出很棒的零件，但支撐架構(gòu)（以及需要通過后續(xù)步驟來去除這些架構(gòu)）亦給他們帶來了很大挑戰(zhàn)，生產(chǎn)效率也不盡如人意。
不過，粘結(jié)劑噴射3D打印卻為福特F150皮卡零部件的量產(chǎn)帶來福音，其成功之道在于鋁合金以及激光粉末床熔融（LPBF）的完美配合——粘結(jié)劑噴射生產(chǎn)的可重復(fù)性以及應(yīng)用燒結(jié)3D打印技術(shù)處理頗具挑戰(zhàn)性的鋁材6061。這也是福特公司與粘結(jié)劑噴射技術(shù)供應(yīng)商ExOne公司的工程師及材料科學(xué)家共同合作所取得的突破。
在過去，采用粘合劑噴射鋁材是一項(xiàng)不可能的任務(wù)，但福特和金屬3D打印機(jī)全球領(lǐng)導(dǎo)者ExOne公司已經(jīng)率先成功實(shí)現(xiàn)了粘合劑噴射燒結(jié)鋁材6061。之前ExOne公司就在其材料路線圖中部署了鋁材開發(fā)項(xiàng)目，后來公司與福特達(dá)成一致意見，重新繪制路線圖，以加快這種材料的研發(fā)。
據(jù)介紹，整個研發(fā)持續(xù)了約一年半的時間。在此期間，福特組織了一個全力專注此項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)。這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)是遠(yuǎn)超3D打印范圍的，因?yàn)檎澈蟿﹪娚涑晒筮€需要進(jìn)行后處理步驟。固化和燒結(jié)是決定零部件最終性能的關(guān)鍵工序。
“這就是我們目前看到的一項(xiàng)堪稱行業(yè)里程碑的技術(shù)成果——全球范圍首次通過粘結(jié)劑噴射鋁合金進(jìn)行3D打印量產(chǎn)。截至目前，應(yīng)用此技術(shù)量產(chǎn)的首個零部件仍在開發(fā)中。”福特汽車公司增材制造技術(shù)負(fù)責(zé)人Harold Sears如是說，“高速的3D打印鋁材技術(shù)為我們現(xiàn)在剛開始關(guān)注的其他商業(yè)領(lǐng)域鋪平了道路，因?yàn)槲覀兛梢灾圃鞆?fù)雜的鋁件了。這在以前是不可能的，它必將帶來其他商機(jī)。”
ExOne公司首席執(zhí)行官John Hartner隨后表示：“利用傳統(tǒng)材料性能，開發(fā)一種快速、經(jīng)濟(jì)、簡便的3D打印鋁材工藝，是實(shí)現(xiàn)更多產(chǎn)品輕量化以及實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)未來的關(guān)鍵一步。”
可以預(yù)見，增材制造某款零部件的試制階段已經(jīng)過去，其現(xiàn)在正邁向量產(chǎn)階段。在這樣的趨勢影響下，整車制造商們與裝備制造商、材料以及工藝供應(yīng)商的深入合作有待獲得更進(jìn)一步的聯(lián)合。
面向更環(huán)保的發(fā)動機(jī)，馬勒開設(shè)增材制造中心
汽車制造中嘗試增材制造在近些年尤為盛行，汽車零部件供應(yīng)商馬勒公司（Mahle GmbH）就在2020年與保時捷（Porsche）、通快（TRUMPF）合作開展了一個項(xiàng)目，從而在增材制造領(lǐng)域聲名鵲起。該項(xiàng)目使用激光金屬熔融技術(shù)（LMD）為保時捷911 GT2 RS高性能跑車生產(chǎn)鋁合金活塞。
據(jù)介紹，馬勒使用衍生式設(shè)計(jì)工藝開發(fā)了這種活塞，使用與傳統(tǒng)工藝相同的專用鋁合金材料，制造出的活塞比傳統(tǒng)鑄造工藝制成的活塞減重約20%。保時捷在911 GT2 TS賽車的引擎上安裝了6個活塞，并讓它運(yùn)行了200個小時，其中135小時處于滿負(fù)荷狀態(tài)。
顯然，測試結(jié)果令人滿意，正如保時捷項(xiàng)目經(jīng)理Frank Ickinger所說，“從技術(shù)角度來說，這為我們開啟了新篇章，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)找到了新的可能性。”
需要說明的是，盡管在保時捷活塞應(yīng)用上取得了成功，但馬勒的工作重點(diǎn)并不是該公司的發(fā)動機(jī)系統(tǒng)和零部件運(yùn)營，而是熱管理、機(jī)電一體化和電子技術(shù)。這在他們隨后開設(shè)的增材制造中心設(shè)立的目標(biāo)上相一致——該增材制造中心在馬勒位于德國斯圖加特的總部，廠房占地面積約500平方米，目前有一臺SLM Solutions 280，其工作行程為280×280×365 mm。材料方面，工廠正在使用的是V2A和V4A鋼以及鋁合金。在人員配套方面，來自各個部門的專家團(tuán)隊(duì)，特別是模擬和材料專家將陸續(xù)進(jìn)駐。據(jù)悉，該增材制造中心將支持熱管理、機(jī)電一體化和電子技術(shù)的發(fā)展，以生產(chǎn)“更環(huán)保的發(fā)動機(jī)”。
馬勒公司董事會主席兼首席財(cái)務(wù)官M(fèi)ichael Frick表示，“對于汽車制造行業(yè)而言，新系統(tǒng)和新部件的開發(fā)速度必須比幾年前快得多，尤其是在涉及二氧化碳減排和驅(qū)動系統(tǒng)的解決方案時。有了新的3D打印中心，馬勒再一次加快了在戰(zhàn)略領(lǐng)域的步伐——例如在電動汽車領(lǐng)域。”
目前，新中心正在開發(fā)流程，使3D打印這項(xiàng)技術(shù)能夠基于汽車行業(yè)的嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工業(yè)系列生產(chǎn)。這為產(chǎn)品開發(fā)和制造帶來了全新的可能性，因?yàn)檫@些工藝可以用于生產(chǎn)傳統(tǒng)工藝無法制造的高性能組件。
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