3D打印實現(xiàn)制造輕量化：從材料到結構

Callejon

輕量化的實現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設計和應用；二是產品結構的優(yōu)化設計；三是先進制造技術的開發(fā)應用。三者相輔相成以實現(xiàn)最終產品的輕量化制造，而這其中產品結構優(yōu)化設計和材料的優(yōu)化設計具有廣大的研究和開發(fā)空間。

輕量化材料就是可以用來減輕產品自重且可以提高產品綜合性能的材料。材料輕量化，指的是在滿足機械性能要求的前提下，通過采用輕量化的金屬和非金屬材料實現(xiàn)重量減輕的方法。

在當前的輕量化材料中，鋼鐵仍然保持主導地位，但鋼鐵材料的比例逐年下降，鋁合金、鈦合金、鎂合金、工程塑料、復合材料等材料比例逐漸增加。這些材料在汽車制造領域的應用尤其廣泛，我們討論的重點也在該領域。

金屬輕量化材料：鋁合金

汽車上常見的合金材料大多為鋁合金、鎂合金。其中鋁合金是現(xiàn)階段應用最廣、最為常見的汽車輕量化材料，曾有研究表明鋁合金在整車中最多可以使用540kg，這樣的情況下汽車將減重40%，奧迪、豐田等的全鋁車身就是很好的例子。

目前鋁合金3D打印材料種類主要有AlSi10Mg、AlSi7Mg、AlSi12等，其中AlSi10Mg幾乎占據絕對主流。針對AlSi系列合金的力學性能不高，無法滿足高強度要求的現(xiàn)狀，目前開發(fā)出的高強鋁合金有空客的Scalmalloy、英國鑄造公司Aeromet International的A20X、長沙新材料產業(yè)研究院的AlMgSc系以及蘇州倍豐的Al250C等。

2017年，梅賽德斯-奔馳在制造業(yè)轉型中邁出了重要一步：使用3D打印技術生產金屬部件，其中就包括采用鑄鋁合金3D打印的奔馳卡車的恒溫器。不僅如此，梅賽德斯-奔馳表示，該環(huán)節(jié)通過了所有嚴格的質量測試。

金屬輕量化材料：鈦合金

鈦合金的主要優(yōu)點是低密度、高強度密度比和優(yōu)異的耐腐蝕性，另外即使在溫度升至500°C時仍能保持很高的強度。鈦合金用于汽車與鋼、鋁合金以及鎂合金相比的主要缺點是成本高，但其在汽車其他方面的應用具有輕量化的潛力，可用于制造懸架彈簧、排氣系統(tǒng)等部件。

一個典型案例是布加迪對傳統(tǒng)的剎車盤的設計優(yōu)化，其采用高強鈦合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鑄鋁，雖然材料的密度有所提高，但材料性能得到大幅提升，配合結構設計，最終通過3D打印制造的卡鉗重量減輕了40%。除此之外，鈦合金作為一種高強輕量化材料，在航空航天領域具有極大的應用空間。

金屬輕量化材料：鎂合金

鎂合金也是一種強度較大的合金材料，現(xiàn)階段我們可以在汽車輪轂、離合器等部件上看到它的身影，盡管它比鋁合金更輕，但在汽車上的用量卻很少，從目前來看世界一流的汽車上鎂合金用量也僅為10kg，而自主品牌汽車鎂合金用量則更少，僅為3kg左右。

想要大規(guī)模的使用鎂合金，還需在技術和成本上有所突破。關于鎂合金的3D打印應用，目前多見于研究，公開報道的案例非常少見。

非金屬輕量化材料：碳纖維

除了合金以外，近些年汽車上也出現(xiàn)了一些新型輕量化材料，碳纖維就是其中之一。有研究表明，如果用強度可靠的碳纖維替代鋼材，車身、底盤的質量將下降40%-60%，輕量化效果可見一斑。

碳纖維目前無法直接用于3D打印，通常作為增強材料使用，包括基于激光燒結的短纖增強和基于FDM的長纖增強兩種。將碳纖維嵌入到常規(guī)材料中，可以使部件強度提升幾十倍，其強度重量比甚至超過很多金屬材料。這種制造工藝更類似于新的材料設計，因此在輕量化方面有非常廣的應用空間。

在2015年的托納汽車耐力賽期間，福特采用碳纖維3D打印制造了賽車增壓室進氣歧管，部件的制造僅一周時間，從而為汽車開發(fā)工程師提供了更多的測試、調整和完善時間。除此之外，福特車隊的賽車還包含眾多其他的3D打印部件，為賽車的輕量化、快速制造提供了保障。此次比賽，該車隊也贏得了冠軍。

非金屬輕量化材料：工程塑料

另一種輕量化的材料是工程塑料，多用于制造汽車內飾件、電器件、進氣歧管、控制面板等部件，既可以用作原型驗證，也可直接制造最終功能部件。武漢薩普曾采用尼龍材料打印了2*0.5*0.7m的大尺寸汽車儀表盤，可對抗高溫和高頻振動，研發(fā)周期縮短了47%，制造成本降低了54%，而且還實現(xiàn)了輕量化。

特種塑料的3D打印市場在近年來呈現(xiàn)增長趨勢，這不僅體現(xiàn)在用于3D打印的特種材料的豐富，還包括打印設備、工藝以及應用的多樣化。知名的特種塑料3D打印制造商還有Stratasys，其針對航空航天、汽車行業(yè)開發(fā)了專門的打印機和高性能材料，有的甚至已經獲得了航空認證。

特種材料的3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)的塑料打印機，它往往需要更高的打印溫度和保溫環(huán)境，在設備開發(fā)過程中往往具有一定的門檻。目前較為知名的FDM品牌有markforged、Roboze、Apium等，國內方面有一邁智能（TCT深圳展展位號：C17）和遠鑄智能（TCT深圳展展位號：D20）等公司。這些特種材料一般包括PA、PEEK、PEKK以及PEI等。

輕量化材料的使用必須與產品設計和制造工藝相結合，只有這樣才能達到有效的目的。開發(fā)適應輕量化材料的新工藝不僅可以加速新材料在汽車上的使用，同時還可以降低材料成本，有利于擴大應用。

據汽車界人士預測，在今后十年中，汽車自身質量還將減輕20%，除了大量采用復合材料和輕質合金外，新材料的集成制造工藝會顯著降低車身部件數(shù)量，車身設計方法也將發(fā)生重大變化。

3D打印作為一種先進的新型制造工藝之一，受到了來自汽車制造商的廣泛重視，它的優(yōu)勢體現(xiàn)在增量制造所帶來的材料浪費損失的降低，以及集成制造帶來的輕量化效果的大幅提升。即便3D打印可直接制造的材料仍然有限，但在輕量化材料直接制造方面似乎并未遇到太多阻力。

目前，成熟的3D打印工藝和材料受到了很多汽車制造商的重視，大眾、福特、寶馬等汽車廠商均設立了包括增材制造在內的先進制造中心，這無疑為汽車的輕量化制造帶來了更多機遇。