3D打印實(shí)現(xiàn)制造輕量化：從材料到結(jié)構(gòu)

來源：中關(guān)村在線

輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑主要有三大方面：一是材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)和應(yīng)用；二是產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；三是先進(jìn)制造技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用。三者相輔相成以實(shí)現(xiàn)最終產(chǎn)品的輕量化制造，而這其中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有廣大的研究和開發(fā)空間。

3D打印實(shí)現(xiàn)制造輕量化：從材料到結(jié)構(gòu)
輕量化材料就是可以用來減輕產(chǎn)品自重且可以提高產(chǎn)品綜合性能的材料。材料輕量化，指的是在滿足機(jī)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(shí)現(xiàn)重量減輕的方法。

在當(dāng)前的輕量化材料中，鋼鐵仍然保持主導(dǎo)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(fù)合材料等材料比例逐漸增加。這些材料在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用尤其廣泛，我們討論的重點(diǎn)也在該領(lǐng)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(yīng)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(jù)絕對(duì)主流。針對(duì)AlSi系列合金的力學(xué)性能不高，無法滿足高強(qiáng)度要求的現(xiàn)狀，目前開發(fā)出的高強(qiáng)鋁合金有空客的Scalmalloy、英國鑄造公司Aeromet International的A20X、長沙新材料產(chǎn)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(zhuǎn)型中邁出了重要一步：使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)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(yán)格的質(zhì)量測試。

金屬輕量化材料：鈦合金
鈦合金的主要優(yōu)點(diǎn)是低密度、高強(qiáng)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(shí)仍能保持很高的強(qiáng)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(diǎn)是成本高，但其在汽車其他方面的應(yīng)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(gè)典型案例是布加迪對(duì)傳統(tǒng)的剎車盤的設(shè)計(jì)優(yōu)化，其采用高強(qiáng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(qiáng)輕量化材料，在航空航天領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用空間。

金屬輕量化材料：鎂合金
鎂合金也是一種強(qiáng)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(shù)和成本上有所突破。關(guān)于鎂合金的3D打印應(yīng)用，目前多見于研究，公開報(bào)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(qiáng)度可靠的碳纖維替代鋼材，車身、底盤的質(zhì)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(qiáng)材料使用，包括基于激光燒結(jié)的短纖增強(qiáng)和基于FDM的長纖增強(qiáng)兩種。將碳纖維嵌入到常規(guī)材料中，可以使部件強(qiáng)度提升幾十倍，其強(qiáng)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(shè)計(jì)，因此在輕量化方面有非常廣的應(yīng)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(jìn)氣歧管，部件的制造僅一周時(shí)間，從而為汽車開發(fā)工程師提供了更多的測試、調(diào)整和完善時(shí)間。除此之外，福特車隊(duì)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(duì)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(nèi)飾件、電器件、進(jìn)氣歧管、控制面板等部件，既可以用作原型驗(yàn)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(duì)抗高溫和高頻振動(dòng)，研發(fā)周期縮短了47%，制造成本降低了54%，而且還實(shí)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(shè)備、工藝以及應(yīng)用的多樣化。知名的特種塑料3D打印制造商還有Stratasys，其針對(duì)航空航天、汽車行業(yè)開發(fā)了專門的打印機(jī)和高性能材料，有的甚至已經(jīng)獲得了航空認(rèn)證。

特種材料的3D打印區(qū)別于傳統(tǒng)的塑料打印機(jī)，它往往需要更高的打印溫度和保溫環(huán)境，在設(shè)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(nèi)方面有一邁智能和遠(yuǎn)鑄智能等公司。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(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝相結(jié)合，只有這樣才能達(dá)到有效的目的。開發(fā)適應(yīng)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(shí)還可以降低材料成本，有利于擴(kuò)大應(yīng)用。

據(jù)汽車界人士預(yù)測，在今后十年中，汽車自身質(zhì)量還將減輕20%，除了大量采用復(fù)合材料和輕質(zhì)合金外，新材料的集成制造工藝會(huì)顯著降低車身部件數(shù)量，車身設(shè)計(jì)方法也將發(fā)生重大變化。

3D打印作為一種先進(jìn)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(fèi)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(shè)立了包括增材制造在內(nèi)的先進(jìn)制造中心，這無疑為汽車的輕量化制造帶來了更多機(jī)遇。