3DMERIC丨深度解析：3D打印汽车时代距我们有多远

第1页：3D打印主要技术相对传统生产的“减材制造”，3D打印技术属于“增材制造”，被公认为是21世纪最具颠覆...



第1页：3D打印主要技术

相对传统生产的“减材制造”，3D打印技术属于“增材制造”，被公认为是21世纪最具颠覆性的高科技技术。3D打印技术不仅能够适应定制化生产，还具有高度的灵活性，在降低成本、缩短周期、提高工作效率、生产复杂件等方面具有优势，被广泛应用于航空航天、汽车、军工、消费品、医疗等领域。



深度解析：3D打印汽车时代距我们有多远

目前，3D打印技术主要有7种类型，分别是材料熔融挤出技术（FDM）、粘合喷射技术（3DP）材料微滴喷射、粉材平铺融化、直接能量沉积LENS、薄材叠加LOM、光敏树脂平铺（SLA）。其中，FDM、粉材平铺融化以及SLA已经使用在汽车工业制造上了。



3D打印技术的主要类型

汽车行业是个开放的行业，其庞大的产业生态为新技术的发展提供了肥沃的土壤，对3D打印技术也不例外。在3D打印技术众多的应用领域，汽车行业是3D打印即使最早的应用者之一，早在3D打印技术发展的初期，一些欧美国家车企就开始将3D打印技术应用于汽车研发过程。





福特3D打印原型中心员工正在清理3D打印的模具原型

其中，应用最早、最深入、范围最广的车企是福特汽车公司。早在1988年3D打印出现之初，福特汽车公司就购入全球3D打印史上第三台3D打印机。截至目前，福特公司使用3D打印技术主要集中在打印产品原型，使用的材料多为塑料材料。随着金属打印技术的发展，未来福特将使用金属材料直接打印最终的产品或者零部件。





     福特采用CLOP技术3D打印机打印福克斯电动车橡胶垫圈





福特Transit Connect车型的阻尼器使用了CLOP技术

在福特汽车公司密歇根州Dearborn  Heights工厂，14台不同型号的工业级3D打印机每年要打印2万件零部件。这还只是福特5个3D打印原型中心之中的一个。目前，福特已利用ExOne公司的3D打印技术为自己汽车的引擎打印模具和样品。同时，福特与Carbon3D公司合作，采用后者开发的连续液态界面3D打印机（CLIP）量产制造出用于福克斯电动车型的橡胶垫圈和用于Transit Connect车型的阻尼缓冲器。除福特外，其他汽车公司巨头如  BMW、GM、大众、丰田、Tesla、法拉利、兰博基尼、保时捷等也都有应用3D打印技术在自己汽车的研发制造中。

第2页：3D打印汽车历史

近几年，随着“工业4.0智能制造”被提出，作为高端智能制造技术之一的3D打印成为关注的焦点，2013年，世界上第一辆3D打印汽车Urbee2诞生，2014年世界第一辆3D打印电动汽车Strati问世，2015年，全球首款3D打印超级跑车“Blade”3D打印概念赛车、3D打印太阳能汽车概念设计等陆续登上汽车舞台，它们的登场让我们看到了3D打印技术正在以前所未有的速度给汽车行业带来革命性的变化。



世界第一辆3D打印汽车Urbee 2

其实，Urbee 2的前身Urbee早在2010年就已经推出，只是属于概念车，不能进行量产。Urbee 2整个生产成型耗时2500小时，成本大致在5万美元，该车为混合动力，电力驱动时，可提供6—12kw的动力，最大行驶里程可达64km。



世界第一辆3D打印电动汽车“Strati”

2014年，在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会上，Local Motors汽车公司展出了世界第一辆采用3D打印技术打造的电动汽车“Strati”。Strati整个制造过程仅用时44个小时，车身3D打印一体成型，全车仅40多个零件，除动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃外，包括底盘、仪表板和车身在内的部件均由美国Cincinnati公司提供的3D打印机打印，所用耗材为碳纤维增强热塑性材料，技术路线为FDM,Local Motors汽车公司希望Strati量产后的售价在1.8—3万美元之间。



全球首款3D打印超级跑车“Blade”

2015年7月，美国Divergent Microfactories公司推出全球首款3D打印超级跑车“Blade”。Blade车身大部分由碳纤维制造，底盘由大约70个3D打印的“铝节点”拼接构成，质量轻，整车量约640kg。Blade搭载一台700马力双燃料发动机（汽油或压缩天然气），0—96km/h加速时间仅需2秒。Blade整个制造过程在40小时左右。



3D打印概念车：1L油跑640km（图源：3ders.org）

2015年7月，鹿特丹举行的壳牌环保马拉松赛（欧洲站）上，一辆来自波兰的Iron Warriors团队使用Zortrax M200 3D打印机打印的概念车凭借1L油跑640km的成绩一举夺冠。该团队采用3D打印技术打印大部分零件，在保持零件机械性能的基础上，整车质量得到大幅降低。



3D打印太阳能超跑概念车Immortus

2015年8月，澳大利亚初创公司EVX Ventures发布了一款名为“Immortus”的3D打印太阳能超跑概念设计。该车只要是晴天，就可以不间断运行。3D打印技术在Immortus制造过程中的作用主要是打印节点或连接机构进行组装，达到降低整车重量的效果。



3D打印在汽车行业带来的革命性变化

纵观3D技术在汽车行业近30年的应用史，目前还主要集中在研发环节的概念模型和功能性模型的制造，而3D打印技术在汽车行业的终极应用形态是100%的3D打印汽车。不过这一终极阶段的具体时间，目前还难以预测。

第3页：广阔的市场空间

3D打印目前主要应用于工业机器、消费品、电子、汽车、航空航天、军工、教育、生物医疗等领域，其中，汽车由于自身规模大、研发投入多、应用3D打印技术时间早等特点，在3D打印技术应用中占有重要地位。

据全球著名咨询机构沃勒斯（Wholers）发布的“Wholers Report 2015”统计，2014年3D打印收入中，汽车占比为16.1%，排名第三，仅次于工业机器（17.5%）和消费品（16.6%）。令据Industry Week统计，在2014年3D打印原型收入中汽车及运输领域占比超过3成，在所有应用领域中排名第一。


              2014年3D打印在各应用领域中的收入分布





2014年3D打印原型收入中汽车及运输占比超3成

此外，根据SMARTECH报告，2014年3D打印技术在汽车行业的总市场收入为3.7亿美元，预计到2023年有望达到22.7亿美元，年均复合增长率超过20%。



3D打印技术在汽车行业应用的市场空间预测

汽车行业市场空间巨大，为3D打印在汽车领域的应用提供了广阔的市场基础。2014年，全球销售汽车8824万辆，在研发、生产环节的生产总值超过万亿美元。假如未来全球汽车产值保持在2014年的水平，那么，3D打印只要占有其中1%的市场份额，就能达到百亿美元的市场空间。



庞大的汽车市场为3D打印在汽车行业的应用提供了市场基础

而随着3D打印技术的发展和在汽车行业的深入应用，从现有的市场空间较小的概念模型和功能性原型制造向功能性零部件直接打印扩展，那么，3D打印在汽车领域的市场空间将被真正打开，前景无限宽广。





3D打印在汽车行业应用的可行性分析

3D打印技术要想在现有传统制造基础上去寻找市场空间，必然要有比现在传统制造方式优越的一面或者多面，成本更低、效率更高，或者是传统方式无法完成而3D打印可以完成的工艺。现有3D打印技术水平应用于汽车行业，其优势在于：

（1）小批量、个性化制造方面具有成本优势。
（2）现场按需打印，无需交付时间，在缩短周期、提升效率等方面具有优势。
（3）复杂件制造方面，3D打印不再因为部件复杂而增加成本，传统方式或因成本过高，或无法制造。

上述部分主要对3D打印技术在汽车行业的应用史、市场空间以及可行性分析做了简单的介绍，接下来，我们将从整个汽车生命周期对3D打印技术在汽车领域的应用案例做具体的分析。

第4页：3D打印贯穿始终

汽车整个生命周期包括研发、生产和使用三个环节，3D打印在每个环节当中均有应用。就目前来看，在研发环节应用较多，集中于打印实验模型和功能性原型，作为设计验证和评估的手段。



3D打印技术可应用于汽车整个生命周期

1.研发环节：集中于实验模型、功能性原型制造

汽车研发环节，以正向开发为例，起点为项目立项，终点是量产启动，一般包括5个阶段：方案策划、概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动。目前，3D打印技术在汽车领域的应用主要就集中于研发环节，在概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动均有应用，体现为3D打印试验模型、功能性原型等形式。


                              带3D打印配件的本田CVR





用Stratasys的Objet Eden500V 3D打印机打印的（左）本田雾灯装饰原型，右边为最终产品

概念设计阶段：其中的造型设计，一般先针对不同设计方案制作1:5比例的油泥模型，经评审后，筛选2—3个方案再进行1:1的全尺寸油泥模型制作。然后进行风洞测试，修改，确定最终方案。在该阶段油泥模型的制造可采用3D打印，节省开发时间和成本，同时易修改。

工程设计阶段：该阶段主要是完成整车各总成及零部件的设计，协调各总成之间以及总成与整车之间的矛盾。其中涉及的车身数据检验模型、零部件样件等均可采用3D打印。


宾利3D打印概念车EXP 10 Speed 6，网状进气栅包含复杂的集合形状和不同的深度





大灯玻璃内饰皮革花纹，透出3D质感

样车试验阶段：包括性能试验和可靠性试验。其中涉及的对前述设计环节检验未达要求进行修改的过程可应用 3D打印。

投产启动阶段：其中涉及各种模具、检具的开发以及小批量试产验证可靠性均可应用3D打印。

 2.生产环节：集中于小批量、定制化的车型


                  兰博基尼使用3D打印制造最终零部件



3D打印的兰博基尼发动机管道





日产使用3D打印制造DeltaWing赛车零件

生产环节对零部件机械性能、光洁度等要求严格，因此对3D打印技术水平的要求高，对应的成本也较高。因此，目前3D打印技术在这一环节的应用主要集中于一些小批量、定制化、对成本相对不敏感的高端跑车、赛车上，市场空间小。随着3D打印技术的不断成熟，在打印性能、成本方面有望达到汽车直接生产应用的要求，因此，3D打印在汽车生产环节的市场空间十分广阔。

3.使用环节：高端车、进口车的售后维修

汽车使用环节面对的是整个汽车后市场，包括汽车金融、二手车、汽车售后服务（售后维修）、改装车等细分市场。其中，3D打印技术可应用于售后维修、改装车领域。

保时捷Carrera904

目前，3D打印在这一环节应用相对很少，市场较小，主要原因包括：①目前3D打印机和原材料成本还是比较高；②打印出来的部件质量缺少检测标准；③汽车零部件知识产权保护；④维修、改装相关从业人员对3D打印技术认知不足。



3D打印修复保时捷Carrera气缸盖

高端车、进口车传统方式维修周期长，成本相对较高，3D打印技术按需直接打印的特点可以弥补传统维修周期长这一缺点，同时，在成本制造方面与传统方式比较也能占有一定优势。因此，高端车、进口车的售后维修是目前3D打印在汽车使用环节一个主要的应用点。

结论与展望

汽车行业由于自身规模大、研发投入多、应用3D打印技术时间长等因素，在3D打印技术应用中占据重要位置。汽车行业巨大的市场规模为3D打印技术在汽车领域的应用提供了广阔的市场空间，保守估计，3D打印未来即使只在每年过万亿美元汽车研发、生产环节中占有很小的份额，比如1%的规模，那其每年在汽车领域的市场规模将超过百亿美元。

3D打印技术在汽车行业的应用贯穿于汽车整个生命周期，包括研发、生产以及使用环节，就应用范围来看，目前3D打印技术在汽车领域的应用主要集于研发环节的实验模型和功能性原型制造，在生产环节相对较少。未来，3D打印技术在汽车领域仍将被广泛应用于原型制造。随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D打印技术在汽车行业的应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展，在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。

目前，3D打印技术尚不够成熟，打印速度不高、设备与原材料成本过高、生产质量不稳定等依然是制约其在汽车行业大量推广与应用的主要因素。3D打印技术在汽车领域的应用不可能完全替代传统制造方式。在汽车行业生态圈中，3D打印更多应该是根据自身优势找准其应用点，与现有传统方式结合，共同提高生产效率、降低成本、发展新工艺。

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