3D打印在電動(dòng)汽車開發(fā)中的作用

魔猴君  知識(shí)堂   228天前

時(shí)代在變，社會(huì)在發(fā)展，技術(shù)也在發(fā)展：就在十多年前，我們甚至無(wú)法想象今天擁有的技術(shù)。這反映在我們的日常生活中，無(wú)論是“油炸鍋”或用于視頻報(bào)道的面部追蹤無(wú)人機(jī)等新發(fā)明，還是5G或3D打印等現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)步。但社會(huì)上有一項(xiàng)特殊的進(jìn)步我們已經(jīng)習(xí)慣并適應(yīng)，那就是電動(dòng)汽車。

這些類型的汽車、摩托車甚至貨車已成為一種趨勢(shì)。除其他外，其低排放和加油成本對(duì)消費(fèi)者具有吸引力。最初，這是一項(xiàng)經(jīng)常受到質(zhì)疑的技術(shù)。但如今，世界上道路上的大部分汽車都是混合動(dòng)力或電動(dòng)汽車。正如我們?cè)谝婚_始提到的，技術(shù)的發(fā)展并不是固定不變的，這就是為什么3D打印開始在此類車輛的開發(fā)中證明自己。

該圖顯示了歐洲不同國(guó)家的電動(dòng)汽車百分比（圖片來(lái)源：Electromaps）

為什么要使用電動(dòng)汽車？

人們選擇購(gòu)買電動(dòng)汽車而不是汽油或柴油汽車的原因有很多。一方面，有些司機(jī)決定采取行動(dòng)并對(duì)環(huán)境承擔(dān)責(zé)任。我們都知道電動(dòng)汽車的排放為零，因此這種類型的駕駛員有利于可持續(xù)發(fā)展。另一方面，也有人考慮自己的錢包。電動(dòng)汽車的初始投資很大，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，由于運(yùn)行汽車的成本較低，它的利潤(rùn)非常豐厚。最后，還有一些人因?yàn)橄拗频仍虮黄荣?gòu)買其中一輛汽車。對(duì)于希望在馬德里等市中心出行并且需要擁有零排放或極低排放車輛的駕駛員來(lái)說(shuō)就是這種情況。

盡管許多人認(rèn)為電動(dòng)汽車的“時(shí)尚”只是一句空話，但有數(shù)據(jù)表明此類汽車的增長(zhǎng)趨勢(shì)和使用情況。根據(jù)國(guó)家電動(dòng)汽車發(fā)展協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，2023年法國(guó)有882,531輛電動(dòng)汽車行駛。同年，登記了192,438輛新車，比2022年增長(zhǎng)了52.4%。

3D打印在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的起步

3D打印在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用大約在十年前邁出了第一步。這一切都始于“創(chuàng)客”，即家里有3D打印機(jī)并創(chuàng)建自己的模型的人，開始為他們的車輛設(shè)計(jì)小型定制零件。其中一些包含小型設(shè)計(jì)配件，甚至是汽車結(jié)構(gòu)的小部件。

Strati，第一輛3D打印電動(dòng)汽車（照片來(lái)源：Car and Driver）

然而，直到2014年芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展(IMTS)上，才首次完全用3D打印機(jī)打印出了一輛汽車。這就是Strati，一款小型兩座電動(dòng)汽車，其風(fēng)格與Local Motors生產(chǎn)的沙灘車類似。盡管這是第一輛車，但世界上大多數(shù)媒體都沒(méi)有注意到這輛車。與其他3D打印汽車不同，Strati只有49個(gè)零件，并且在不到48小時(shí)內(nèi)打印完成。它的續(xù)航里程也接近200公里，盡管在2015年討論過(guò)量產(chǎn)，但并沒(méi)有成功。

多年后，即2018年，我們今天所知的XEV YOYO亮相，但當(dāng)時(shí)它被稱為L(zhǎng)SEV。這款小型車輛由X Electric Vehicle(XEV)設(shè)計(jì)并與Polymaker合作制造，只需3小時(shí)即可打印出來(lái)，并且只包含57個(gè)零件。它于2019年推出，曾經(jīng)是一家小公司，現(xiàn)在在世界許多地方擁有經(jīng)銷商，每年銷售數(shù)千輛汽車。

如果我們回顧五年，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)3D打印并沒(méi)有真正融入電動(dòng)汽車的世界。在那之前，我們知道了一些小型3D打印電動(dòng)汽車，例如KILO Design或4ekolka。這些技術(shù)也被大眾或?qū)汃R用于車輛修復(fù)，但我們今天達(dá)到的規(guī)模是出乎意料的。

電動(dòng)汽車3D打印技術(shù)和兼容材料

如今，許多汽車品牌都使用3D打印，無(wú)論是特定車輛的小零件還是生產(chǎn)線本身。大眾汽車、西雅特、豐田或雷克薩斯只是一些例子，但正如我們提到的，還有很多其他的例子。另一方面，3D打印機(jī)并不是品牌使用的唯一東西，汽車行業(yè)使用3D技術(shù)的另一個(gè)明顯例子是3D軟件、3D掃描儀和測(cè)試車。

大多數(shù)品牌都使用一種或兩種特定技術(shù)，例如采用FDM和樹脂3D打印的Koenigsegg，或采用HP Metal Jet的大眾汽車。這意味著沒(méi)有一種特定于電動(dòng)汽車的技術(shù)，但根據(jù)您想要使用的應(yīng)用程序，您可以使用任一技術(shù)來(lái)制作一種技術(shù)。

當(dāng)談到電動(dòng)汽車增材制造兼容材料時(shí)，制造商最初只能使用塑料。但隨著時(shí)間的推移，兼容材料的范圍已經(jīng)擴(kuò)大到包括各種各樣的材料。行業(yè)中最常見的是熱塑性或聚合物材料，例如ABS、尼龍或樹脂。

使用上述材料打印的大多數(shù)部件都是車輛的非關(guān)鍵部件。這意味著它們不會(huì)影響車輛的運(yùn)行。但3D打印電動(dòng)汽車的關(guān)鍵部件是可能的。事實(shí)上，一些公司已經(jīng)這樣做了。這些零件通常不是用聚合物打印的，而是用金屬和合金打印的。最常用的是鈦合金和鋁合金。

3D打印可以實(shí)現(xiàn)哪些應(yīng)用？

一些制造商已經(jīng)意識(shí)到，3D打印零件不僅比傳統(tǒng)方法生產(chǎn)速度更快、成本更低，而且同樣耐用。這些打印零件經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，以了解其局限性并能夠集成到車輛生產(chǎn)中。無(wú)論是用金屬、塑料還是陶瓷印刷，它們都必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試。

最初，大多數(shù)公司對(duì)于是否將3D打印機(jī)制造的零件引入其車輛猶豫不決。隨著時(shí)間的推移，這些部件的強(qiáng)度、堅(jiān)固性和耐用性變得越來(lái)越明顯。事實(shí)上，如今許多品牌已經(jīng)將使用這些技術(shù)制造的零件引入到他們的車輛中。大眾汽車等品牌擁有不少于13款采用3D打印部件（無(wú)論是金屬還是塑料）的不同車型。事實(shí)上，大眾汽車首席技術(shù)官Stefan Leest表示，“3D打印零件與傳統(tǒng)方法制造的零件一樣耐用?！?/span>

用于奧迪W12發(fā)動(dòng)機(jī)的3D打印金屬水連接器（圖片來(lái)源：大眾汽車集團(tuán)）

在這些應(yīng)用中，我們可以引用車輛內(nèi)部元件，例如儀表板、座椅、儀表板、裝飾件，還有通風(fēng)口和冷卻管道、照明裝置、蓋子和控制臺(tái)配件。此外，安裝支架、外殼、叉骨和制動(dòng)部件等關(guān)鍵車輛部件也開始采用3D打印。

雷克薩斯就是一個(gè)很好的例子：2023年底，該公司宣布將使用3D打印技術(shù)制造其新版雷克薩斯LC500跑車中的AT油冷卻器導(dǎo)管。最初，人們對(duì)這款混合動(dòng)力超級(jí)跑車的項(xiàng)目表示懷疑。事實(shí)上，雷克薩斯車身制造商Tomohiro Ohno澄清道：“兩個(gè)主要問(wèn)題是，鑒于批量生產(chǎn)較低，成本是否可行，以及如何確定使用3D打印機(jī)制造的零件的質(zhì)量。”最終，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，該項(xiàng)目獲得批準(zhǔn)，2024年我們將看到帶有3D打印部件的雷克薩斯LC500上路。

AT油冷卻器管路。（照片來(lái)源：Solize和雷克薩斯）

我們?cè)陔妱?dòng)或混合動(dòng)力汽車中看到3D打印的另一個(gè)場(chǎng)景與著名的超級(jí)跑車品牌Koenigsegg有關(guān)。該品牌使用FDM和樹脂3D打印機(jī)來(lái)制造數(shù)千個(gè)零件。這一切都得益于3DPrinterOS軟件。該品牌創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官克里斯蒂安·馮·科尼賽克(Christian von Koenigsegg)在蒙特利汽車周期間告訴鵪鶉，他們自己生產(chǎn)樹脂，但不向公眾開放。他補(bǔ)充道：“我們打印電子控制器的外殼、通風(fēng)口下噴涂的噴嘴、散熱片：這些東西都是在高溫下打印的?！?

電動(dòng)汽車3D打印的優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)

正如我們已經(jīng)提到的，電動(dòng)汽車3D打印技術(shù)正處于自開始引入汽車行業(yè)以來(lái)的最高水平。許多公司使用這些技術(shù)來(lái)創(chuàng)建原型，例如新型CUPRA的情況，或者只是以較低的成本為其現(xiàn)有車輛設(shè)計(jì)零件。CUPRA工程總監(jiān)Werner Tietz解釋道：“3D打印使我們能夠快速且廉價(jià)地創(chuàng)建原型，這有助于我們加快開發(fā)過(guò)程?！贝送?，對(duì)于原型而言，增材制造的生產(chǎn)成本也顯著低于傳統(tǒng)方法。制造時(shí)間也是如此：3D打印提供了傳統(tǒng)方法無(wú)法想象的優(yōu)勢(shì)。

Tesla制造巨大的3D打印模具來(lái)批量生產(chǎn)汽車（圖片來(lái)源：Tesla） 

還值得一提的是，許多品牌都使用Snapdragon軟件來(lái)設(shè)計(jì)車輛和車輛控制單元的操作。例如，名爵汽車今年將在其新款MG Coupe車型中使用Snapdragon來(lái)控制各種車輛功能。至于測(cè)試車，當(dāng)它們以3D形式制作時(shí)，成本會(huì)顯著降低，因此測(cè)試它們的成本要低得多。特斯拉汽車就是這種情況，該制造商專注于粉末粘合。

定制化是增材制造給電動(dòng)汽車行業(yè)帶來(lái)的另一個(gè)巨大好處。4.0技術(shù)為電動(dòng)汽車的創(chuàng)造和設(shè)計(jì)提供了幾乎無(wú)限的可能性。這就是為什么多家公司已經(jīng)提供這些可能性的原因。我們經(jīng)常聽說(shuō)的一個(gè)品牌是XEV，它向公眾推出了前面提到的YOYO車型。得益于3D打印，這輛汽車提供了多種定制可能性。另一個(gè)例子是豐田Ubox概念車，它承諾是一款可定制的汽車，但該概念尚未完全開發(fā)出來(lái)。

小型可定制電動(dòng)汽車XEV YOYO（圖片來(lái)源：XEV）

盡管具有無(wú)數(shù)的優(yōu)勢(shì)，汽車增材制造行業(yè)仍面臨著許多阻礙其演變和發(fā)展的挑戰(zhàn)。其中包括勞動(dòng)力，因?yàn)?/span>3D零件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)需要專業(yè)的汽車CAD設(shè)計(jì)師以及機(jī)器技術(shù)人員等人員。雖然目前這兩個(gè)領(lǐng)域確實(shí)缺乏訓(xùn)練有素的專業(yè)人員，但越來(lái)越多的人正在學(xué)習(xí)實(shí)踐這些職業(yè)。

知識(shí)產(chǎn)權(quán)盜竊是電動(dòng)汽車行業(yè)增材制造的另一個(gè)主要障礙。存在許多法律漏洞，這意味著無(wú)法申請(qǐng)專利的零件復(fù)制已變得司空見慣。缺乏保護(hù)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)免受世界其他地方影響的法律，這就是許多品牌和公司不愿意這樣做的原因。

這兩個(gè)挑戰(zhàn)是新技術(shù)進(jìn)入市場(chǎng)時(shí)面臨的眾多挑戰(zhàn)之一。存在諸如部件批量生產(chǎn)速度的問(wèn)題，通過(guò)傳統(tǒng)方法可以更快地生產(chǎn)部件。雖然我們確實(shí)已經(jīng)討論過(guò)使用3D打印創(chuàng)建零件的速度，但我們指的是小系列、原型或單個(gè)零件。當(dāng)涉及到批量生產(chǎn)時(shí)，角色就會(huì)顛倒過(guò)來(lái)。大型零件的制造也是增材制造仍然非常有限的任務(wù)。

未來(lái)會(huì)怎樣？

我們談?wù)摿?/span>3D打印電動(dòng)汽車的過(guò)去和現(xiàn)在。但這個(gè)行業(yè)的未來(lái)是什么？我們可以做很多猜測(cè)，但如果有一件事是確定的，那就是根據(jù)我們過(guò)去十年看到的軌跡，我們知道該行業(yè)將繼續(xù)增長(zhǎng)。另一方面，一些品牌確認(rèn)了2024年的多個(gè)項(xiàng)目涉及增材制造技術(shù)，例如Liux、Seat和Cupra。

大眾ID.4 XTREME（圖片來(lái)源：大眾）

另一家也希望在這一領(lǐng)域取得進(jìn)展的公司是德國(guó)大眾汽車公司。該公司目前正致力于將3D打印引入其電動(dòng)汽車中。其中，ID.4 GTX EV的運(yùn)動(dòng)和越野版本名為ID.4 XTREME，是一款增材制造在其組件設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用的電動(dòng)汽車。

上面提到的品牌中有Liux。這是一個(gè)西班牙品牌，旨在徹底改變電動(dòng)汽車行業(yè)。經(jīng)過(guò)多年開發(fā)旨在將多款汽車推向市場(chǎng)的不同項(xiàng)目后，似乎用不了多久公眾就能享受到它們。在這三種可能的汽車中，最重要的是Liux Animal，這是一款電動(dòng)汽車，將使用亞麻等可持續(xù)材料并通過(guò)3D打印。

我們還不知道未來(lái)會(huì)怎樣，但可以肯定的是，到目前為止我們所看到的只是汽車行業(yè)新時(shí)代的開始。特斯拉和SpaceX首席執(zhí)行官埃隆·馬斯克(Elon Musk)表示：“3D打印汽車是交通運(yùn)輸行業(yè)邁向更加可持續(xù)和高效的未來(lái)的重要一步。?福特汽車公司首席執(zhí)行官Jim Hackett給出了3D打印在該領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)的另一個(gè)清晰例子：“3D打印電動(dòng)汽車有潛力徹底改變汽車行業(yè)，創(chuàng)造出更輕、更高效、更耐用的車輛?！?/span>

來(lái)源：3dnatives