盤點：2017年這9家汽車機構用3D打印技術造汽車

談及2017年的汽車制造類熱詞，除了備受矚目的輕量化外，3D打印與增材制造也發(fā)揮著重要的作用。近日，南極熊看到蓋世汽車整理了一篇關于3D打印技術在汽車領域的文章，介紹各機構在上述兩項技術領域內的技術發(fā)展動態(tài)，詳見下文：

臺灣車輛研發(fā)聯(lián)盟

關鍵詞：兩座式電動車、3D打印制造技術、聚乳酸

臺灣車輛研發(fā)聯(lián)盟（Taiwan Automotive Research Consortium，TARC）研發(fā)了一款兩座式電動車，其車身制造采用了3D打印制造技術。

該輛電動車配備了6.6 kWh的鋰離子電池，其續(xù)航里程數為60-100 km（近37.3-62.1 miles），最高車速為60 km/h（約合37.3 mph）。TARC尚未確認該款電動車能否實現量產。

該款電動車的車身及內飾均由塑料制成，但車門除外。出于安全考慮，車門采用鋼板制成。車身所用材料為聚乳酸（poly-lactic acid，PLA），由植物源性淀粉（plant-derived starch）制成。

與常見的車輛不同，該款電動車并未采用硬殼式結構（monocoque structure），其車身及車架的設計是獨立進行的，僅靠車架就能達到車輛碰撞所需達到的安全要求。為此，其車身外部件的設計空間及應用靈活度頗大。

該款電動車的車架由鋁材制成，質量為98.7kg。若將車架后側進行擴展，有可能制成三座式皮卡。若更改鋁質車架的外形，還可將其用于制造雙輪車輛及自行車。TARC旨在提升生產規(guī)模，將成本降低3-4成。

該款電動車的尺寸規(guī)格（長寬高）為2780 mm x 1440 mm x 1570 mm，其軸距為1770 mm，發(fā)動機的最大動力輸出及峰值扭矩分別為7 kW和44 N·m。TARC尚未決定是否將該款電動車進行商業(yè)化。

KLIO Design

關鍵詞：拓撲優(yōu)化、定制化的試驗模型

韓國設計公司KLIO Design推出了一款名為“Open structure Mobility Concept”的微型電動概念車，其采用3D打印技術定制車身，共享車輛架構平臺，進而實現結構拓展，為個人用戶、商業(yè)用戶及社會公共交通部門提供了開放式的車輛結構。

拓撲優(yōu)化（Topology optimisation）

KLIO Design一直致力于形態(tài)建成（morphogenesis）數學算法，該單詞源自于兩個希臘單詞——形象（morphê）和起源（genesis）。KLIO Design將從生活中獲得的靈感應用到設計中，借助該數學算法生成各類結構樣式（structural pattern），其迭代運算（iterative operation）會持續(xù)進行，直至剩余成分的相對密度達到1。換言之，該方法旨在確定最優(yōu)的原材料分配。

執(zhí)行拓撲優(yōu)化旨在找尋設計變量（design variables）——有限元素的密度（density of finite element），進而滿足目標函數（質量下限，minimum mass），設計團隊需要考量設計域（design domain）內的限制因素——安全系數（safety factor）�；�于拓撲優(yōu)化，該團隊創(chuàng)建了優(yōu)化后的（質量最小化）車身結構形態(tài)，可應對外力（行駛時車身所承受的載荷），并為該款概念車的初始形狀設計提供指導意見。

同時，該設計團隊還認真考慮了車輛所面臨的各種狀態(tài)，如：靜態(tài)、變速行駛、穿過減速帶（speed bumps）、加速或制動甚至側翻等極端情況，并計算出設計區(qū)域所受的外力數值。該公司隨即采用拓撲優(yōu)化技術，對上述各駕駛情況進行計算分析，然后合并歸納其計算結果。最后，該設計團隊對車輛的外觀進行了簡化及分析，為該款概念車的初始設計形態(tài)制定了設定準則。

定制化的試驗模型

該款概念車幫助KLIO Design創(chuàng)建了試驗模型，可根據乘客數量定制化設計，也可以根據其用途（個人使用、公用及商用）定制設計。該款概念車的動力總成被集成到車身底座，由一臺構造簡單的電動車系統(tǒng)構成，且各部件的尺寸已縮至最小，以便根據需要實現性能升級并提升其續(xù)航里程數。該車輛通過集成逆變器（integrated inverter）/變頻器控制單元（converter control unit）來實現對車輛的操控。

目前，KLIO Design采用3D打印技術制作了該車型的縮放模型及實體車型，后者由塑性粉末材料（聚甲基丙烯酸甲酯，PMMA）制成。用于制作該款車型的3D打印設備性能優(yōu)異，其打印速度及分辨率均處于最高水平，而材料損耗率幾乎接近于零。該設備主要被用于鑄件制造，可實現快速成形，這是傳統(tǒng)計算機數控（CNC）制作方法所無法比擬和實現的。該設備適用于設計評估，預計未來將在設計界得到廣泛應用。

由于擔心該款試驗車型因材質問題而導致?lián)p壞，故而未對車身噴涂彩漆，該款概念車的原型車主要由車輛的上部車身（未進行試駕測試）及車身底座（已進行試駕測試）兩大部分組成。

NanoSteel

關鍵詞：BLDRmetal L-40、激光融合增材制造工藝、表面硬化鋼粉末

NanoSteel最近推出了一款新產品——BLDRmetal L-40，可采用基于粉末床的激光融合增材制造工藝（laser powder bed fusion additive manufacturing process）對其進行加工制作。BLDRmetal L-40產品是一款表面硬化鋼粉末（case-hardening steel powder），硬度高，延展性（韌性）出色（表面硬度>70HRC，鋼芯的延伸率＞10%），可借助3D打印技術，用標準的商用設備打印出來。

該合金的性能卓越，可媲美M300 馬氏體時效鋼（maraging steel），可用作H13等工具鋼的替代品，采用3D打印技術后易于加工。BLDRmetal L-40提升了3D打印技術在各類硬材質市場內的應用潛力，該產品的設計定位為工具、模具、軸承及變速齒輪等零部件。

Nanosteel采用3D打印技術制造了一款8英寸的滾絲板牙套件（roll thread die set），其性能遠超模具加工機械制作的D2和M2工具鋼。

借助CFK GmbH的快速迭代研發(fā)技術，NanoSteel研發(fā)了這款高強度合金。CFK GmbH是業(yè)內的一家3D打印供應商，其專業(yè)技術有助于實現模具從產品概念到成品件的轉換。

美國橡樹嶺國家實驗室

關鍵詞：大面積增材制造技術、壓縮塑模、噴嘴

美國田納西州橡樹嶺國家實驗室（ORNL）的工程師及科研人員已生產出一款工裝，可用于制造汽車發(fā)動機罩。3D打印依賴于大面積增材制造技術（Big Area Additive Manufacturing，BAAM）技術。2014年，美國橡樹嶺國家實驗室與Cincinnati、Local Motors等伙伴方采用了BAAM技術，僅花費數日就制造出一輛3D打印車輛，隨后又對工藝進行優(yōu)化，借助3D打印技術制造了一輛謝爾比眼鏡蛇跑車。

汽車業(yè)每年在工裝上的耗費高達數十億美元，通常需要鋼制模具或壓模（dies），而上述模具的制作通常很耗時，其獲取成本及維護成本也頗為高昂。Love表示，3D是個不錯的解決方案，采用該技術將縮短模具及壓模的制作時間。

美國橡樹嶺國家實驗室曾為福特生產國一套壓縮塑模（compression mold），目前正與壓膜制造商Diversified Tooling集團致力于增材工裝的研究。

該項研究定位塑料與金屬增材制造，而3D打印零件則需要對其表面采取精整操作，但Love表示，可采用機加工或涂層使其表面變得更為光滑、閃亮。

橡樹嶺國家實驗室與Strangpresse

關鍵詞：創(chuàng)新型噴嘴、3D打印

美國能源部旗下橡樹嶺國家實驗室（ORNL）宣布，他們已與美國俄亥俄州的3D打印技術公司Strangpresse簽訂了專屬授權（exclusively licensed）協(xié)議，該協(xié)議涉及到ORNL的一項擠出機相關的增材制造技術。據悉，該項擠出機技術可打印重大數百磅的聚合物材料。

該發(fā)明含一個創(chuàng)新型噴嘴，可將材料擠塑成較大的零部件，用于航天、汽車應用或原型機，且分辨率高，大幅提升品質的同時盡可能材料的粗糙度。

Strangpresse成立于2014年，其主要業(yè)務是研究、開發(fā)和商業(yè)化工業(yè)級上使用的完全可控的、低重量、熱塑性塑料擠出機。這家位于俄亥俄州Youngstown的公司主要向大學、研究實驗室和工業(yè)制造企業(yè)出售他們的擠出機和其他3D打印技術。

喬治亞理工學院及羅格斯大學

關鍵詞：三層體系、增材制造、微型金納米棒

喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）及羅格斯大學（Rutgers University）研發(fā)了新款三層體系（three-layer system），旨在驗證采用增材制造工藝生產的零部件的性能。該系統(tǒng)采用聲學技術及其他物理技術，驗證3D打印機的運營是否與預期相符，并采用無損探傷技術（nondestructive inspection techniques）與零部件內微型金納米棒（tiny gold nanorods）的埋藏位置是否正確。

該項驗證技術與控制計算機（controlling computer）內的3D打印機固件及軟件無關。

新款三層體系包含以下三大部分：

對運營中的3D打印機的聲學測量。可與參照記錄值進行比對，該項聲學監(jiān)控可采用廉價麥克風及過濾軟件（filtering software）探查打印設備的聲音變化，后者可探查出3D打印機是否安裝了惡意軟件。

對3D打印機部件的物理性追蹤。為創(chuàng)建理想的目標物，打印機的擠出機及其他部件或將遵循始終不變的機械路徑（mechanical path），后者可采用廉價的傳感器予以探查。若與預期路徑不同，則意味著或存在惡意軟件侵襲。

對成品組件內的金納米棒的探查。研究人員采用拉曼光譜（Raman Spectroscopy）及計算機斷層掃描（computed tomography，CT）來探查金納米棒的位置，后者已與3D打印機內所用的燈絲材料（filament material）相混合。

在諸多挑戰(zhàn)中，最大的困難是在嘈雜環(huán)境中獲取良好的聲學數據，因為3D打印設備運行時，噪音通常都很大。此外，該項技術還可被應用于其他各類打印設備及不同材料。

巴斯夫新業(yè)務公司與Innofil3D公司

關鍵詞：3D打印用塑料顆粒、3D打印線材、熔絲制造

巴斯夫新業(yè)務公司（BASF New Business）全資控股總部位于荷蘭埃曼（Emmen, Netherlands）的Innofil3D公司，該筆并購交易無需獲得反壟斷監(jiān)管部門（antitrust authorities）的批準。巴斯夫新業(yè)務公司總經理Volker Hammes表示：“該并購案達成后，巴斯夫的業(yè)務又邁出了一大步。如今，公司不僅能提供3D打印用塑料顆粒，還能提供線材�！�

Innofil3D公司是一家領先的高附加值定制化線材（一種長而薄的塑料纖維）制造商，其產品可被用于熔絲制造（fused filament fabrication）。打印制品的功能不僅取決于塑料，還與線材（filaments）始終如一的優(yōu)良品質有關。Innofil3D旗下產品將被添加到巴斯夫旗下3D打印熱線塑料線材中。

Innofil3D將繼續(xù)維持其現有的業(yè)務活動，并成為核心的線材研發(fā)及生產平臺。Hammes表示：“Innofil3D擁有良好的產品線，而巴斯夫計劃研發(fā)高性能的線材，兩者的緊密結合將為巴斯夫的3D打印產品方案奠定基礎�！盜nnofil3D團隊經驗豐富，將進一步增強巴斯夫3D打印解決方案有限公司旗下團隊的實力。

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、賀利氏

關鍵詞：增材制造、承力結構有機設計、流程鏈、3i-PRINT開放性合作平臺

Altair、APWORKS、csi entwicklungstechnik、EOS GmbH、GERG、賀利氏（Heraeus）這六大公司采用了3D打印前端結構件（front-end structure），將其用于為大眾Caddy經典車中，進而演示工業(yè)3D打�。╥ndustrial 3D printing）技術在汽車業(yè)內的應用。

該結構件質地極輕，功能集成度也頗高。該聯(lián)合開發(fā)項目取名為3i-PRINT，上述六家公司共同參與了該工藝的所有研發(fā)階段，其內容囊括設計、模擬、優(yōu)化、制造及零部件的后續(xù)作業(yè)，涵蓋了從概念設計到最終的整車制造各個環(huán)節(jié)，整個項目歷時9個月。

增材制造（additive manufacturing）對汽車業(yè)的價值

工業(yè)3D打印又稱增材制造，該技術在大型制造中發(fā)揮著不可或缺的作用，未來或將提升成本效益及效能。換言之，未來工業(yè)級3D打印技術的應用將越來越廣，對汽車業(yè)而言更是如此。

若想要真正地實現增材制造在汽車工程中的價值定位（value proposition），那么拓寬機械及輕量化結構設計將是唯一出路，但前提是先實現零部件的功能整合，盡可能多地將技術功能集成到各部件中，同時盡可能地減少部件的數量，進而產生附加值，這也是汽車業(yè)對3D打印青睞有加的另一大原因。3i-PRINT項目旨在借助大眾Caddy概念車，演示其未來技術的可行性。

為承力結構采用有機設計

此外，與熱管理、被動安全及流體貯存相關的功能被集成到了前端模塊內，其采用了以載荷為導向的有機設計（organic, load-driven design）。

發(fā)揮各企業(yè)在整條流程鏈的綜合專長（Combined expertise）

為此，csi entwicklungstechnik的專家們開始設計、研發(fā)并打造前端結構件，GEREG則負責連接增材制造部件并制造最終版的車架，公司將重心放在模擬技術的研發(fā)及應用拓展上，進而合成并優(yōu)化設計及工藝。Altair提供軟件方案，用于該機構件的設計、優(yōu)化、模擬及研發(fā)工作。在成功完成該概念產品的模擬及設計后，APWORKS負責確定該3D打印結構件的最終尺寸。

當前端結構件完成后，APWORKS將采用由EOS研發(fā)的系統(tǒng)，后者是工業(yè)3D打印金屬積聚合物領域的領先技術供應商。賀利氏將負責提供并完成高強度鋁合金Scalmalloy®的供貨及質量驗證，該材料由APWORKS提供，用于制造零部件。APWORKS為EOS M 400系統(tǒng)研發(fā)了理想的打印參數設定值，為打印工藝提供支持。

該項目結合使用了增材制造技術及創(chuàng)新材料，成功但地演示了功能集成的可行性，而這恰恰是傳統(tǒng)制造方式所無法提供的。

3i-PRINT開放性合作平臺

3i-PRINT由csi entwicklungstechnik發(fā)起，該項目成為了一個靈活的汽車工程研發(fā)平臺，推動了創(chuàng)新型概念原型車。其理念基于利用新的研發(fā)工具及工業(yè)3D打印等方法。該項目旨在演示并全面開拓最新款制造方法的可行性。3i-PRINT項目是一個開放性合作平臺，可能加速推動新理念的執(zhí)行。

布倫瑞克造型藝術學院與奧迪

關鍵詞：車內座椅、動態(tài)結構設計、Klara概念車

布倫瑞克造型藝術學院（Braunschweig University of Art）的一支設計團隊在導師Manuel Kretzer帶領下，與奧迪研發(fā)/創(chuàng)新單元（development/innovation unit）開展合作，重新構思了車內座椅的樣式，并為未來的自動駕駛車輛——Klara量身打造了一款創(chuàng)新型座椅，該座椅采用了動態(tài)結構設計。

Klara是奧迪汽車打造的一款人工智能概念車，奧迪旨在通過這款概念車來探索，研究如何利用感性技術來建立駕駛員與汽車之間的溝通——甚至建立人機信任的反饋。針對Klara汽車座椅的特殊需求，該概念車設計團隊采用3D打印技術，制造了一款輕量化汽車座椅。

奧迪公司表示，Klara概念車中有39個電動調節(jié)馬達在金屬車體之下工作，憑借一整套靈敏的傳感器，“Klara”概念車以交互和主觀的方式對其周圍環(huán)境作出反應。如果車輛覺得接近車輛的人是友善的，那么就會通過閃爍燈光來迎接他們。但是Klara也能夠通過“咆哮”來表達不滿。

奧迪發(fā)展與創(chuàng)新中心與布倫瑞克造型藝術學院的研究團隊共同承擔了概念車座椅的設計與3D打印工作。雙方僅耗時三個月（2017年4月-6月）就完成了該項目的研發(fā)與樣品試制。在進行概念車座椅設計時，該設計團隊也秉承了Kalar概念車的整體設計理念。

最初，雙方花了兩天時間用于產品設計構思，隨后該團隊被分為三個小組，各小組成員分別負責設計與制造，材料與舒適度，以及動力與響應。

BigRem公司為該設備的制造提供了支持，該款全尺寸的樣機采用Pro-HT塑料材質，這是一款可降解的材料，其強度表現極為出色。

動力與響應小組則定制了38個可活動的部件，并將它們安裝到3D打印框架結構的表面。這些部件的視覺和觸覺特性能夠進行動態(tài)調整，以響應不斷變化的駕駛條件。

材料與舒適度小組，在座椅的5個獨立的區(qū)域安裝了高性能纖維織物，提升汽車座椅的穩(wěn)定性與舒適度。

康明斯與橡樹嶺國家實驗室

關鍵詞：3D打印+增材制造

康明斯與橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory）在研發(fā)一款新材料，用于重卡發(fā)動機修復。當車輛在嚴苛條件下長途行駛后，易造成發(fā)動機受損。相較于更換發(fā)動機的氣缸頭（cylinder head），該研究團隊提出了一種新方法——先“挖空（scooped out）”磨損部分，然后再采用增材制造技術（cylinder head），放入高性能的合金件，且前者的品質要高于原裝鑄件。

該3D打印工藝由ORNL研發(fā)，可用于修復并增強康明斯發(fā)動機的耐用性，且無需重鑄零部件，大幅降低了成本并提升了節(jié)能性。

來源：蓋世汽車