3D打印提升效率
近來,在新型冠狀病毒感染引發(fā)的肺炎疫情影響下,汽車零部件供應(yīng)鏈危機(jī)屢現(xiàn)。很多汽車及零部件企業(yè)都在想方設(shè)法破解這一難題。一些企業(yè)開啟3D打印制造方式,成為解決難題的辦法之一。
近日,特斯拉披露,在為特斯拉Model Y生產(chǎn)零部件的企業(yè)中,Slant3D是一家用集群化3D打印機(jī)進(jìn)行制造的企業(yè)。今年4月,為應(yīng)對(duì)新冠肺炎疫情導(dǎo)致歐美一些汽車零部件企業(yè)停工減產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)問題,該公司開始采用3D打印方式,為特斯拉Model Y制造汽車空調(diào)殼體等零部件。此次采用一種“聚合物定向能量沉積”的3D打印新工藝制造零部件,解決了在歐美很多零部件供應(yīng)商停工減產(chǎn)情況下的零部件供應(yīng)難題,還提高了這些零部件的生產(chǎn)效率。
3D打印技術(shù)能解決燃眉之急,提高產(chǎn)銷量,還能改善汽車零部件及汽車系統(tǒng)的使用效率。3月以來,本田的研發(fā)部門與3D打印企業(yè)Autodesk展開合作,設(shè)計(jì)了一款汽車發(fā)動(dòng)機(jī)曲柄軸,并采用3D打印技術(shù)制造,從而實(shí)現(xiàn)車輛輕量化并提升了發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性。曲柄軸在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該部件能夠?qū)⒒钊麛[動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)力,對(duì)耐磨損度有著較高要求。曲柄軸的外形必須耐受燃燒壓力,且隨時(shí)維持轉(zhuǎn)動(dòng)平衡。上述因素導(dǎo)致曲柄軸的設(shè)計(jì)大致定型。在發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)發(fā)展中,曲柄軸幾乎沒有大的變化。如今,本田3D打印制造的曲柄軸與之前的同類產(chǎn)品相比,可實(shí)現(xiàn)減重30%,成為提高燃油經(jīng)濟(jì)性的一項(xiàng)新突破。
業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為,3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)就是,不必開發(fā)制造工具、購置生產(chǎn)設(shè)備;靈活性高、適合復(fù)雜形狀和結(jié)構(gòu)、適合組合材料、工序精簡(jiǎn)等特點(diǎn),恰好克服了部分汽車零部件傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足。當(dāng)前,汽車零部件行業(yè)每年要生產(chǎn)數(shù)十億件金屬零部件。3D打印技術(shù)一旦成熟,將會(huì)對(duì)汽車零部件等傳統(tǒng)制造業(yè)產(chǎn)生革命性影響。
越來越多的企業(yè)采用3D打印技術(shù)制造部分汽車零部件。通用汽車與Autodesk合作,用3D打印制造汽車不銹鋼座椅支架。使用3D打印技術(shù),可以使汽車零部件重量減輕40%、強(qiáng)度增加20%。“3D打印現(xiàn)在是我們的靈丹妙藥。隨著科技不斷進(jìn)步,通用汽車可以借此方法生產(chǎn)數(shù)千甚至數(shù)萬個(gè)零部件。
在歐洲汽車行業(yè),也有不少企業(yè)已經(jīng)開始新的探索。當(dāng)前,大眾零部件部門已經(jīng)初步形成了3D打印制造能力,主要用于尺寸小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的高端品牌車型零部件。大眾認(rèn)為,與傳統(tǒng)制造工藝相比,3D打印金屬零部件不僅能夠?qū)崿F(xiàn)更為復(fù)雜的結(jié)構(gòu),還能減少材料的浪費(fèi)。此外,3D打印的零部件重量更輕,能夠在保證性能的前提下,減少燃油消耗率。如大眾車型的A柱,經(jīng)測(cè)試,在不影響強(qiáng)度和耐久性的前提下,使用金屬3D打印的結(jié)構(gòu)件能夠?qū)柱加固系統(tǒng)的重量減輕74%。大眾表示,今后將采用3D金屬打印技術(shù)大規(guī)模生產(chǎn)汽車零部件。
使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)汽車零部件,除了成本低、效率高之外,還可以解決部分零部件短缺的難題,如已經(jīng)停產(chǎn)多年或稀有的車型,找零件很難并且價(jià)格不菲。而現(xiàn)在可以按照需求,使用3D打印技術(shù)生產(chǎn)出指定的零部件。保時(shí)捷就用這種工藝為其老款車型生產(chǎn)了約30個(gè)零部件。
“3D打印技術(shù)既可以解決汽車零部件生產(chǎn)的精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化問題,也可以在疫情等非常狀態(tài)下提供應(yīng)急的制造方式,是一項(xiàng)值得發(fā)展的有前景的新技術(shù)。”全聯(lián)車商投資管理(北京)有限公司總裁曹鶴在接受《中國汽車報(bào)》記者采訪時(shí)表示。
替代傳統(tǒng)制造技術(shù)并不容易
當(dāng)前,很多企業(yè)已經(jīng)開啟了使用3D打印技術(shù)制造汽車零部件的新探索,但要大規(guī)模生產(chǎn)汽車零部件,幾乎還沒有零部件企業(yè)完全依靠3D打印方式來完成。
3D打印技術(shù)在部分汽車零部件制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要涉及四個(gè)方面:即動(dòng)力總成、底盤系統(tǒng)、內(nèi)飾、外飾。在動(dòng)力總成上,歐洲跑車制造商蘭博基尼利用3D打印技術(shù)為其跑車制造發(fā)動(dòng)機(jī)管道,可制造出復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)。在底盤上,生產(chǎn)裝配工具和功能測(cè)試是三維打印技術(shù)在汽車底盤系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)中的兩個(gè)常見應(yīng)用。蘭博基尼還利用工程級(jí)熱塑性塑料制造高強(qiáng)度汽車底盤原型,并使用高性能工程塑料定制裝配工具。在外飾上,3D打印已經(jīng)成為寶馬研發(fā)周期中不可或缺的技術(shù)。在內(nèi)飾上,3D打印可以制造儀表板、空調(diào)排氣扇、方向盤、汽車操縱桿等零部件。
3D打印是否意味著可以替代傳統(tǒng)制造方式?零部件企業(yè)的危機(jī)是否來臨?其實(shí),這需要客觀分析。有人曾表示,當(dāng)3D打印成本越來越低、技術(shù)越來越成熟時(shí),整車生產(chǎn)企業(yè)不再需要零部件企業(yè)大批量供貨,而是需要研發(fā)設(shè)計(jì)服務(wù)、依靠3D打印制造即可,大量一線生產(chǎn)工人會(huì)被3D打印機(jī)替代。假如一旦3D打印技術(shù)可以大規(guī)模生產(chǎn)大多數(shù)零部件,那么對(duì)傳統(tǒng)零部件企業(yè)將構(gòu)成極大威脅與挑戰(zhàn)。
業(yè)界人士認(rèn)為,3D打印制造汽車零部件方式,既有優(yōu)勢(shì),也劣勢(shì)。其主要優(yōu)勢(shì)包括:
一是設(shè)計(jì)空間幾乎無限。傳統(tǒng)制造技術(shù)的零部件產(chǎn)品形狀有限,零部件制造能力受制于所使用的工具。如傳統(tǒng)的車床只能制造一定形狀的零部件,制模機(jī)僅能制造模鑄形狀。3D打印機(jī)可以突破這些局限,開辟巨大的設(shè)計(jì)空間,甚至可以制造依靠傳統(tǒng)方式難以制造的零部件。
二是不再需要大量的技術(shù)人員。傳統(tǒng)制造的技術(shù)人員,需要多年經(jīng)驗(yàn)積累,才能精確掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)控制的制造機(jī)器降低了對(duì)技能的要求,非技能制造開辟了新的商業(yè)模式,并能在遠(yuǎn)程環(huán)境或極端情況下為人們提供新的零部件制造方式。
三是材料多樣組合。對(duì)傳統(tǒng)制造方式而言,將不同原材料結(jié)合成單一零部件產(chǎn)品是困難的事,多材料3D打印技術(shù)可以將不同原材料融合在一起,具有獨(dú)特的屬性或功能。
四是減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術(shù)相比,3D打印機(jī)制造金屬零部件時(shí)產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工方式生產(chǎn)零部件的浪費(fèi)量驚人,3D打印制造金屬時(shí)浪費(fèi)量減少。隨著打印材料的進(jìn)步,“凈成形”制造可能成為更環(huán)保的加工方式。
五是便攜式制造。與傳統(tǒng)制造機(jī)器相比,3D打印機(jī)設(shè)備可以自由移動(dòng),可以打印制造比自身還要大的物品。
同時(shí),3D打印方式的缺點(diǎn)也很明顯。首先是材料種類的限制。3D打印機(jī)對(duì)可以使用的材料有很多要求,如顆粒精細(xì)度、粘合度,適宜的濕度、溫度等,且很多材料價(jià)格也偏高。其次是成本較高,可用于工業(yè)制造的3D打印機(jī)不僅本身成本高,所使用的材料價(jià)格也較高,算下來沒有成本優(yōu)勢(shì)。第三是知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。隨著近年來全世界對(duì)產(chǎn)權(quán)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的加強(qiáng),3D打印零部件或許會(huì)侵犯發(fā)明者的合法權(quán)益。
事實(shí)上,雖然3D打印技術(shù)已成功地將部分傳統(tǒng)復(fù)雜的零部件生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單化,將材料領(lǐng)域的疑難問題程序化,擁有諸多優(yōu)勢(shì),但擴(kuò)展3D打印技術(shù)的應(yīng)用還存在一些問題。受技術(shù)裝備、新型材料、設(shè)計(jì)軟件、質(zhì)量安全和公共環(huán)境等制約和影響,當(dāng)前僅適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復(fù)雜的部分零部件的加工制造,還難以代替?zhèn)鹘y(tǒng)制造業(yè)大規(guī)模、大批量的加工制造優(yōu)勢(shì)。
“3D打印在一定程度為零部件制造增加了一種新技術(shù),指望其完全替代傳統(tǒng)制造方式是不合乎邏輯,也不現(xiàn)實(shí)的。”中國汽車工業(yè)協(xié)會(huì)顧問杜芳慈向《中國汽車報(bào)》記者表示,汽車零部件制造有精沖、鑄造、鍛造、軋制和車銑刨等多種加工方式,3D打印方式顯然難以完全替代,只能在部分領(lǐng)域發(fā)揮其特長(zhǎng),對(duì)零部件制造而言,各種方式揚(yáng)長(zhǎng)避短、互相補(bǔ)充更重要。
的確,3D打印技術(shù)在汽車零部件制造上僅用于新產(chǎn)品或關(guān)鍵零部件樣機(jī)原型原理、可行性方面的驗(yàn)證,在需要驗(yàn)證零部件強(qiáng)度、剛性等物理特性方面應(yīng)用不多。當(dāng)前,3D打印技術(shù)取代傳統(tǒng)鑄造、鍛造技術(shù)進(jìn)行汽車零部件的大批量、規(guī)模化生產(chǎn)還不現(xiàn)實(shí)。只有將3D打印技術(shù)的個(gè)性化、復(fù)雜化、高難度的特點(diǎn)與傳統(tǒng)制造業(yè)的規(guī)模化、批量化、精細(xì)化相結(jié)合,與制造技術(shù)、信息技術(shù)、材料技術(shù)相結(jié)合,才能不斷推動(dòng)3D打印技術(shù)在汽車零部件產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。
國內(nèi)企業(yè)應(yīng)趕超國際先進(jìn)企業(yè)
3D打印技術(shù)發(fā)展速度很快,在汽車零部件制造業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。
當(dāng)前,在國內(nèi)汽車零部件中,汽車空調(diào)、儀表操控臺(tái)、空調(diào)散熱片、壓縮機(jī)端蓋、門護(hù)板、中冷管、高壓電氣盒等零部件,已經(jīng)出現(xiàn)了3D打印制造的產(chǎn)品。此外,薩普汽車已經(jīng)用3D打印技術(shù)制造并交付使用了總成、外飾、金屬夾檢具等零配件,天津德輝等企業(yè)使用3D打印技術(shù)制造了袖珍手提板、汽車空調(diào)模型、生產(chǎn)工具等產(chǎn)品。
時(shí)至今日,國內(nèi)汽車零部件制造企業(yè)數(shù)量龐大,但整體水平不高,呈現(xiàn)出“大而不強(qiáng)”的現(xiàn)狀,使用3D打印技術(shù)并不普遍。國內(nèi)的工業(yè)級(jí)3D打印制造設(shè)備與國外先進(jìn)水平相比還存在一定差距,大多數(shù)設(shè)備精密程度、可靠耐用性、耗材供應(yīng)等方面均有不足,高端設(shè)備與耗材均需進(jìn)口。同時(shí),國內(nèi)部分工業(yè)級(jí)3D打印機(jī)設(shè)備的激光頭等關(guān)鍵器件需進(jìn)口,而且,國內(nèi)打印耗材的材料質(zhì)量和品種上還遠(yuǎn)不如歐美,很多材料尚需進(jìn)口。
當(dāng)前,世界各主要發(fā)達(dá)國家的汽車零部件制造業(yè)都在發(fā)展3D打印技術(shù),3D打印新材料、新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn),應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大,產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。由于我國3D打印技術(shù)起步較晚,在基礎(chǔ)理論、材料研發(fā)、工藝技術(shù)、核心元器件等方面與國際先進(jìn)水平還有距離,整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模小能力弱,需要構(gòu)建并完善3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈,從而推動(dòng)零部件制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等高校、科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行3D打印技術(shù)研究,并有3D打印設(shè)備產(chǎn)品。國內(nèi)已有汽車零部件制造企業(yè),依托高校進(jìn)行成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
當(dāng)前,國內(nèi)零部件3D打印制造存在的主要問題包括:
一是企業(yè)重視程度不夠,3D打印產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,不僅涉及材料、控制、光電、機(jī)械、軟件開發(fā)等傳統(tǒng)和前沿的技術(shù),以及信息技術(shù)數(shù)字化平臺(tái)作為支撐,更需要應(yīng)用驗(yàn)證及優(yōu)化改進(jìn),這就需要汽車零部件制造等相關(guān)企業(yè)的實(shí)踐,而3D打印方式并不普遍,在記者采訪的數(shù)家零部件企業(yè)中,很多企業(yè)并沒有采用3D打印方式制造零部件。“一方面是設(shè)備價(jià)格昂貴、使用的原材料價(jià)格高,另一方面是打印技術(shù)不夠成熟,如一些零部件的強(qiáng)度不夠。”浙江某零部件公司負(fù)責(zé)人告訴《中國汽車報(bào)》記者。
二是市場(chǎng)規(guī)模有限。“從傳統(tǒng)零部件制造換成3D打印制造,需要技術(shù)驗(yàn)證,這就需要時(shí)間和成本,這個(gè)費(fèi)用誰來出,而且存在最終不能用的風(fēng)險(xiǎn),整車廠目前很難接受,所以我們也就沒有上3D打印制造項(xiàng)目。”正如山東一家零部件企業(yè)相關(guān)人士所言,國內(nèi)的工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備在一些關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)還很薄弱,如工件加工流程的連續(xù)性、支撐材料的加工和處理技術(shù)、部分特種材料的制備技術(shù)等,當(dāng)前都還沒達(dá)到零部件產(chǎn)品制造的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),由此限制了3D打印零部件的市場(chǎng)拓展。
三是產(chǎn)業(yè)鏈不配套。“即使購置了國產(chǎn)或進(jìn)口的3D打印設(shè)備,維修保養(yǎng)也是個(gè)問題。”廣東某汽車注塑件企業(yè)負(fù)責(zé)人告訴記者,國內(nèi)的3D打印設(shè)備還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈,服務(wù)跟不上,這也是導(dǎo)致3D打印難以大量應(yīng)用的一個(gè)“堵點(diǎn)”。
另外,汽車零部件的3D打印制造方面,還存在著技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不夠健全、專業(yè)人才匱乏等問題,同樣是制約因素。“這需要主管部門制定規(guī)劃,進(jìn)行引導(dǎo),并且要組織力量加強(qiáng)設(shè)備及消耗材料的技術(shù)研發(fā),完善服務(wù)等配套產(chǎn)業(yè)鏈,還需要零部件企業(yè)的高度重視,以及與整車企業(yè)溝通配合,打通從創(chuàng)新到應(yīng)用的各個(gè)環(huán)節(jié),國內(nèi)零部件企業(yè)的3D打印制造才有可能加速發(fā)展,在這一領(lǐng)域與國外同行進(jìn)行市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。”杜芳慈認(rèn)為。
國內(nèi)零部件領(lǐng)域3D打印技術(shù)的推廣,除了技術(shù)及市場(chǎng)因素,還有相關(guān)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的法律問題。“需要企業(yè)高度重視的是,3D打印涉及的知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題不容忽視。”中國社會(huì)科學(xué)院法學(xué)研究所研究員李順德表示,這主要包括兩個(gè)方面,一方面是3D打印設(shè)備的知識(shí)產(chǎn)權(quán),如果購買使用了侵權(quán)產(chǎn)品,在特定條件下同樣要承擔(dān)法律責(zé)任;另一方面是打印的汽車零部件產(chǎn)品,也直接涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題。
中國科學(xué)技術(shù)法學(xué)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)何敏認(rèn)為,一方面國內(nèi)企業(yè)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)水平亟待提升,另一方面需要在立法中予以完善,例如,需要在《專利法》的修改中完善3D打印的專利保護(hù)條款,在專利司法程序中對(duì)3D產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中出現(xiàn)的爭(zhēng)議增加相應(yīng)司法解釋;同理,也要在《著作權(quán)法》等相關(guān)法律法規(guī)中完善相關(guān)規(guī)定,加強(qiáng)保護(hù)力度,為產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護(hù)航。
值得欣慰的是,近年來,國內(nèi)的3D打印產(chǎn)業(yè)得到高度重視,3D打印產(chǎn)業(yè)發(fā)展在2013年就被列入國家“863”計(jì)劃,獲得了國家研究基金的支持。隨后,由工信部、發(fā)改委和財(cái)政部聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進(jìn)計(jì)劃》中,將3D打印提升到國家戰(zhàn)略層面,為產(chǎn)業(yè)的發(fā)展做出了整體規(guī)劃。這些,都為汽車零部件領(lǐng)域的3D打印制造打下了良好的基礎(chǔ)。
“此次疫情給全球零部件供應(yīng)鏈造成了一些負(fù)面影響,對(duì)于零部件3D打印制造新技術(shù)的發(fā)展而言,是壓力,也是動(dòng)力,國外零部件企業(yè)推波助瀾,對(duì)于國內(nèi)零部件企業(yè)來說是機(jī)遇,也是挑戰(zhàn)。”,國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該借此機(jī)會(huì),高度重視,抓住機(jī)遇,加快技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用,在3D打印這一新技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)中加速趕超發(fā)達(dá)國家企業(yè)。
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