3D打印在汽车领域应用情况如何？

3D打印赋能汽车设计验证与生产制造，契合汽车轻量化与新能源趋势。

1.3D打印技术缩短汽车设计验证周期

3D打印技术在汽车造型设计领域可实现直接、精确与快速的汽车实体模型制造。据 《3D打印与汽车行业技术发展报告》（中国汽车工程学会等，北京理工大学出版社， 2017年）、《浅谈汽车油泥模型制作的特点和相关技术》（严虎等，时代汽车，2022 年）、《3D打印技术在汽车研发中的应用》（沈卫东等，汽车工程师，2016年）， 汽车造型设计通常要经过图纸二维设计、使用软件把概念化的二维汽车造型变成精 确的数据和3D模型、利用相关材料制造汽车实体模型、进行造型与功能评审等流程， 3D打印技术在汽车造型设计领域主要应用于优化汽车实体模型制造。当前汽车实体 造型主要通过油泥模型展现，在油泥模型的制造中，除车身主体部分由油泥铣削完 成外，3D打印技术可大量应用于车身附件模型的制造，如格栅、Logo、门把手及光 亮饰条等零件，替代所需工艺复杂、制作耗时费力的油泥零件模型。同时，在造型设 计阶段，汽车造型更新变化快且需多方案对比展示，3D打印技术可直接、精确、快 速地对零件模型进行制造，在有效缩短模型制造周期同时能够充分展示造型细节。

3D打印早期又被称为“快速原型”技术，在零部件原型试制生产领域应用广泛。据 《3D打印与汽车行业技术发展报告》（中国汽车工程学会等，北京理工大学出版社， 2017年），在汽车零部件原型试制生产过程中，制造商对试验与测试的零部件产品 原型数量要求不高，但对制造时间缩短与制造成本降低的要求较高，同时试制生产 阶段零部件往往需要在测试评估后多次进行设计更新与迭代，直到获得在设计与性 能方面合格达标的产品。3D打印很好地满足了制造商低成本少量制造需求，在获得 新的设计模型后无需经过重复开模等流程即可直接快速打印出新的零部件原型，缩 短从产品测试评估到产品改进迭代周期。据《3D打印在汽车制造中的应用》（崔厚 学，世界制造技术与装备市场，2017年）、《浅谈3D打印技术在汽车领域中的应用》 （李靖，内燃机与配件，2018年），美国Stratasys公司为宾利定制了3D打印汽车轮 胎原型，轮胎与轮毂一次性制造完成，与原车轮胎大小相同，制造时间仅为188h 28min，同时为宾利制造了具有支撑结构的3D打印车垫原型，制造时间仅为11h 49min；该公司还利用3D打印技术为奥迪生产车尾灯灯罩原型，将制作周期缩短50%。 据Formlabs，在3D打印技术加持下，福特汽车设计师不再需要提前几周提出原型产 品生产需求，仅需在其技术中心利用3D打印技术即可快速制作设计原型，并能够在 短短几个小时内迭代多个设计，例如在制作福特Puma背面字母的原型时，设计师通 过3D打印出的原型观察字体线条和阴影在不同照明条件下的显示效果，并对设计快 速进行改进。

2.3D打印技术可应用于各类汽车零部件的直接与间接生产

汽车主要由车身、电子辅助部件、内饰和动力系统四个部分构成，3D打印技术能够 提供各部分零部件的直接生产能力。据《3D打印技术在汽车试制中的应用》（周伟 赵等，企业科技与发展，2022年）、《3D打印技术在汽车行业中的应用与发展趋势》 （李金华等，汽车文摘，2018年），3D直接打印技术具有快速成型与成本节约特性， 同时可以用更大的自由度来实现设计的想法，能生产高度定制的部件，尤其是针对 那些经过拓扑优化的轻量化结构及高强度复杂结构零件，更能突显其技术优势。大 型车企多已在部分零部件领域应用3D打印技术，在车身部件方面，宝马为i8 Roadster车型定制3D打印的窗户导轨（使用HP MJF技术）和顶棚支架（使用金属 PBF技术），电动汽车公司Local Motors已经成功3D打印了整个汽车车身。在电子辅 助部件方面，3D打印部件生产公司Slant3D已经证明了3D打印在生产定制电子部件 时无需开模具，特定场景下具备一定成本效益。在内饰部件方面，2018年通用汽车 和Autodesk利用创成式设计开发了3D打印的座椅支架，该座椅支架由不锈钢材料打 印而成，从8个零件简化为1个零件，重量减轻了40%；HP使用MJF技术生产了具有 复杂晶格结构的3D打印汽车座椅；豪华汽车品牌保时捷于2020年也为旗下跑车设计 了3D打印的座椅。在动力部件方面，保时捷和SLM Solutions公司合作，利用3D打 印技术为其电驱动装置制造外壳；布加迪公司使用3D打印技术制造了部分汽车底盘 部件，包括革命性使用钛合金材料3D打印制动卡钳等。

除直接生产汽车用零部件之外，3D打印还被应用于零部件模具、工装夹具等生产， 间接为汽车制造、工装等流程赋能。据《3D打印技术在汽车行业的应用》（范武等， 内燃机与配件，2023年）、《3D打印技术在汽车行业的应用》（纵荣荣，汽车实用 技术，2022年）、《3D打印技术在汽车行业中的应用与发展趋势》（李金华等，汽 车文摘，2018年），在零部件模具制造方面，部分汽车零部件的生产须通过模具来 制造，而当前汽车零部件外形和结构日趋复杂，增加了相应模具的研制和生产难度， 传统工艺可能难以实现。以轮胎花纹的生产为例，轮胎花纹是重要而又复杂多变的 轮胎加工制造难点，其加工的精密程度直接影响到轮胎的精度和质量，甚至是轮胎 的安全、驾驶的舒适度等等。轮胎花纹具有弧度多、角度多的特点，结构往往呈现出 空间三维扭曲，采用传统的加工手段难以精准完成。为解决这一难题，米其林与法 孚合作，通过金属3D打印设备进行米其林轮胎模具的研发与制造，突破了传统铸造 与机加工技术难以实现的复杂纹理制造。在工装夹具制造方面，据《3D打印与汽车 行业技术发展报告》（中国汽车工程学会等，北京理工大学出版社，2017年）汽车 制造中会用到各种刀具、夹具等工装，其中很多工装属于小批量定制化产品，3D打 印能够低成本、短周期生产小批量定制化产品的优势与工装产品的生产模式十分契 合。以沃尔沃卡车为例，其位于法国里昂的发动机厂正是使用3D打印机来快速制造 工装产品，自引进3D打印技术以来，该工厂已打印了超过30种不同的工装供生产线 上的工人使用，包括耐用、轻巧的钳子、夹具、支架，以及符合人体工程学设计的刀 柄。3D打印团队在收到需求的几个小时内即可简单地改变设计规范并将夹具打印出 来，实现工装需求的快速响应。

3.3D打印技术在汽车轻量化与新能源汽车领域亦具备较大应用潜力

3D打印技术能够应用轻质材料、具备复杂结构打印能力，契合轻量化实现路径。据 《3D打印与汽车行业技术发展报告》（中国汽车工程学会等，北京理工大学出版社， 2017年），出于环境保护和节约能源的需求，汽车轻量化已经成为全球汽车制造技 术发展的潮流。汽车轻量化指在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降 低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。实验证 明，若汽车整车减重10%，燃油效率可提高6%-8%；汽车整车质量每减少100kg，每 百公里油耗可降低0.3-0.6L。3D打印技术一方面能够使用诸如碳纤维增强复合材料 等轻质材料，另一方面其制造工艺能够实现复杂结构零部件的制造以达到汽车小型 轻量化的要求。例如丰田汽车联合比利时的软件与3D打印服务商Materialise公司， 从拓扑优化和3D打印技术入手，共同设计了一款轻量化的3D打印汽车座椅，该座椅 实现了大量的材料节约，较上一代设计轻了18kg，减重高达72%，座椅中复杂的镂 空结构通过传统制造工艺会面临成本过高甚至是无法制造出来的问题，3D打印技术 在未来的轻量化设计应用中具备较大潜力。

3D打印技术在新能源汽车领域应用潜力广阔。据《3D打印在新能源汽车制造领域的 应用与发展趋势》（王晓燕等，金属加工（热加工） ，2022年），世界上的电动机 研发团队已将大量精力转移到将3D打印系统集成于电动机生产周期中，以实施更强 大、更高效地拓扑优化下一代电动机。预测未来几年内，原型拓扑优化电动机组件 的3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印电动机绕组、热交换器和同步转子上。 在车企中，保时捷与GKN合作推进Connactive项目，其聚焦点是新材料与新设计的 结合；福特携手亚琛工业大学开发灵活而可持续的3D打印电动机零部件，其聚焦点 在于铜金属。据Ford官网，2021年福特、蒂森克虏伯、亚琛工业大学和Engiro组成 的行业联盟启动了下一代电动机的研究项目，旨在开发灵活可持续的生产工艺，3D 打印将在生产线中发挥重要作用。

4.高端装备领域需求高，3D 打印或成为兼顾性能与成本的较优选择

据《3D打印技术在高超声速技术领域的应用研究》（林旭斌，战术导弹技术，2018 年），“相对于传统的航空航天飞行器，高超声速飞行器在临近空间/大气层内长时 间以超过马赫数5的高速持续飞行，工作环境恶劣，尤其在弹身/机身外形局部的气动 驻点、激波附着点，以及采用吸气式动力形势的发动机进气道、燃烧室等部位，热环 境尤其严酷，对零组件材料的耐高温性能、结构的力学性能等有着很高要求，同时 对零组件空间外形、自身重量等也有着苛刻要求。3D打印技术在高超声速技术相关 领域的应用日渐增多，已经成为解决高超声速飞行器制造瓶颈的关键所在。在传统 制造技术无法满足要求时，3D打印技术以其能够快速制备具有高材料性能、异形结 构、整体特性的零部件特点，在高超声速飞行器相关领域得到了愈发广泛的应用， 甚至成为解决一些高超声速飞行器特殊零部件瓶颈的唯一选择。”