案例论证增材制造结合创成式设计用于直接制造汽车零部件的潜力

增材制造领域已经活跃了几十年。 然而，汽车行业的金属增材制造主要侧重于工装夹具、原型制作，而不是最终用途的汽车零部件。AM-增材制造技术进入大规模生产汽车零部件仍然具有挑战性。

本期，结合《Direct additive manufacturing of metal parts for automotive applications》这篇论文，探讨使用增材制造（尤其是粘结剂喷射方法）直接制造汽车金属零部件的潜力。 粘结剂喷射金属3D打印具有较高的打印分辨率、较好的表面质量、更少的支撑结构需求、较少的材料浪费、较高的产量以及较低的总体生产成本。

▲论文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0278612523000729

打破障碍

增材制造为汽车行业提供了巨大的机会，可以通过零件的结构一体化、定制化的材料特性、多功能部件和简化制造流程来减轻车辆重量和提高车辆性能。然而，直接制造汽车零部件的增材制造研究有限，部分原因是汽车生产量巨大。根据3D科学谷《3D打印要如何迎接挑战以适合汽车行业生产的需求？》一文，汽车行业需要利用增材制造的具体优势来提升产品设计，但是当谈到用于经济性的生产，以便将产量从小批量的十几个增加到至少每年100万个。在我们能够打破这个百万产能障碍之前，3D打印对于进入到汽车的生产线方面将一直处于死胡同。

©3D科学谷白皮书

那么目前约束3D打印技术打破这个百万产能障碍的最主要因素是什么呢？是如何实现质量的一致性？还是后处理？还是其他因素？

金属粉末的成本限制

《Direct additive manufacturing of metal parts for automotive applications》这篇论文探讨了使用增材制造和创成式设计方法直接制造金属汽车部件的潜力。以尼桑智能巡航控制系统的前雷达安装支架为案例进行增材制造可行性分析，支架的最终设计是使用 ExOne MFlex® 粘结剂喷射3D打印机制造的。首先用液体粘结剂与金属粉末结合的方式3D打印约 55-60% 致密的生坯。随后烧结生压坯以实现超过95% 的密度，所用于3D打印的粉末是山特维克 Sandvik Osprey®的不锈钢 316L。

©尼桑

研究表明，通过减轻 42% 的重量并简化制造和装配过程，可以实现所需的零件强度和安全性能。研究结果表明，目前金属粉末的成本是在汽车行业更广泛采用增材制造的限制因素。

进入发展快车道

正如3D科学谷《为大规模制造而生，粘结剂喷射金属3D打印设备技术一览》一文中提到的，粘结剂喷射金属3D打印技术，从生产效率、经济性的角度看充分的满足了面向量产的应用。高速、低成本，粘结剂喷射金属3D打印获得了业界的高度关注。粘结剂喷射金属3D打印技术的发展正在以不可思议的方式改变业界对这项技术先入为主的认知。

如今，增材制造已经发展到一个地步，汽车制造商不仅可以将其用于快速原型制作，还可以用于生产对满足严格要求至关重要的最终用途部件，包括不断增加的燃油经济性监管、定制需求和疫情后世界的供应链挑战。增材制造缩短了周转时间，最大限度地减少了材料浪费，提高了能源效率，并简化了汽车制造新时代的供应链。与创成式设计相结合，增材制造可以通过计算机模型和算法将传统的设计-审查-改进-迭代循环整合到一个单一的过程中来实现更高的汽车工程水平。

粘结剂喷射金属3D打印技术将成为驱动3D打印行业发展的主流技术，根据3D科学谷全球市场研究合作伙伴AMPOWER，Binder Jetting 粘结剂喷射金属3D打印技术在技术成熟度方面取得了重大飞跃，例如通过更多可用材料，进入发展快车道。根据3D科学谷全球市场研究合作伙伴CONTEXT，随着金属3D打印技术类别中的粘结剂喷射金属3D打印技术走向成熟，该技术在汽车等交通工具应用领域的零件制造方面将渐入佳境。

根据3D科学谷的市场观察，目前制约粘结剂喷射金属3D打印技术进入到车辆用零件规模量产的因素主要包括生坯的脆弱导致衔接自动化带来的挑战，以及对生坯在烧结过程中变形的控制。然而国际上已经出现了粘结剂喷射金属3D打印技术用于量产的趋势，典型的案例来自于GKN。

目前超过4,000个阀体由GKN-吉凯恩3D打印制造出来运至约翰迪尔拖拉机工厂，令人兴奋的亮点是每零件的成本低于锻造与铣削的传统加工方式，这是3D打印技术有史以来与传统制造技术在加工效率、加工成本方面的突破。

GKN还为施耐德电气 NSX 断路器生产了全新过滤器，此类过滤器形状复杂，远超其他形式的工业制造能力范围。HP Metal Jet 技术不仅改进了新型电源过滤器的形状设计，可在更有限的空间内减少了气体、压力和热对过滤器的影响，显著提高了生产力和环境效益。

总之，增材制造结合创成式设计正在开启直接制造零部件的量产潜力，而其正面挑战传统制造的优势正在凸显，包括零件的性能更强，制造成本更便宜，零件体积明显更小，使用的材料也更少等等。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0278612523000729

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