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20XX 年,想开车出门,现场打印一辆吧

图片:张抗抗 / 知乎

3D 打印离汽车制造还有多远?

张抗抗,电动汽车,电池,电网,3D打印

在媒体的推波助澜下,3D 打印以高科技产业的形象出现在公众面前,在 2013 年后的媒介影响力达到了顶峰。

而实际上,3D 打印在本质上仍是制造技术的一种。近几年发展速度很快,但产业规模仍然不到整个制造业的一个零头。

汽车制造,在制造业中可谓是规模最大、综合要求最高。若 3D 打印有朝一日在汽车领域广泛应用,那我们就可以说 3D 打印真的站稳脚跟了。那么,3D 打印离汽车制造还有多远呢

盘点 3D 打印的汽车应用

一、快速原型

3D 打印最早的时候,叫做快速原型(Rapid Prototyping)技术。原因在于:那时候它唯一的用途就是做快速原型,也就是设计验证、装配验证、功能验证等。

近年来,3D 打印进入汽车行业,最自然而然的方式就是快速原型。对汽车企业来说,用 3D 打印做快速原型,不一定更便宜,但一定会节省时间。对于车型研发来说,时间就是金钱。

3D 打印仪表盘壳体 图片来源: 武汉萨普
3D 打印 + 后处理 电子电器系统壳体
金属 3D 打印:可以进行功能验证

总体来说,3D 打印以快速原型的角色进入汽车行业,是相对较为深入的。但是,这些应用总体来说是替代性的,而非是革新性的。3D 打印的野心不止于此。

二、个性化定制

3D 打印可以个性化定制,为每个消费者提供独一无二的汽车。然而,这同时会增加额外的成本,消费者是否愿意为这部分成本买单呢?

宝马 Mini Cooper 的一个成功案例给出了答案:

宝马 Mini Cooper 的 3D 打印定制 https://www.zhihu.com/video/1042471362841092096

首先通过宝马 Mini Cooper 的订购系统,可以设计自己喜欢的文字、图案。

下单之后,会收到制作好的零件。不需要专门的技师,自己就可以安装。

不得不说,把自己喜欢的名字、图片刻在自己的爱车上,这种“官方改装”服务还是挺令人动心的。价格也不贵,才 149 欧元(总共 4 个部件,3D 打印是其中两个)。

相对于快速原型,宝马 Mini Cooper 使用 3D 打印创造了新的价值,更有启发性

三、老爷车 / 事故车改装与修复

这个逻辑很通顺,停产的老爷车如果坏了,修理起来是一件麻烦的事情,这时候就需要 3D 打印。

事故的拍卖车,部分零件也很难找,可能就需要 3D 打印派上用场。不同的是,事故拍卖车的修复,对成本更敏感——若修复成本比汽车残值还高,我何必修复呢?

这部分应用的资料我目前掌握得较少,以后找到了再补上。

四、直接打印汽车?

美国的 Local Motors 公司宣称,直接 3D 打印汽车。这是一个宏大的口号,然而尚未对汽车业产生实质的影响:

  • 说到底,也只是打印一个外壳而已。
  • 据说使用了碳纤维 3D 打印,实际上是纤维增强型塑料打印,具体性能、是否能过汽车法规,是个问号。
Local Motor 3D 打印汽车

中国 XEV 也是要 3D 打印汽车,很明显在商业模式上要比 Local Motors 想得更清楚一些,而且在设计上更能发挥出 3D 打印的优势。当然,要想落实到应用,这仍然不是一件容易的事情。

详细见这篇文章 :关于 3D 打印汽车,我有 1666 字要讲

XEV 的 3D 打印汽车

突破汽车核心应用的关键点?

如果你是一名汽车工程师,在看到上述 4 方面的 3D 打印应用之后,我猜你可能已经不耐烦了。其实,我也是汽车工程师,我都不耐烦了:无论是快速原型、个性定制、修理改装、外壳打印,这不过都是边边角角、锦上添花、可有可无的应用啊!

能不能讲重点呢?

如果要突破汽车的两个核心应用,逃不过两个关键词:量产轻量化。

第一点很好理解,如果汽车的上千个零件中,没有任何一个是 3D 打印的,那怎么好意思说 3D 打印突破了汽车行业呢?

反过来,如果有任何一个不太小的零件使用了 3D 打印来制造,这一个零件的产值可能就超过了目前 3D 打印整个行业。

然而,想找到这个量产应用的点,何其困难?

  • 3D 打印成本高,而汽车行业对成本极其敏感。 为何 3D 打印率先在飞机制造上率先使用?就在一汽车制造对成本不太敏感。
  • 3D 打印速度慢,而汽车行业对产能要求高。 中国每年要制造 3000 万辆汽车,而空客每年才制造不到 1000 架飞机。

除非,3D 打印能创造独特的价值

有人逐个考查过上的汽车每个零件,得到的结论是:目前车上的所有零件,3D 打印都比不过传统制造工艺

这个结论是对的,但有一个误区。那就是,设计与工艺是密不可分的,车上所有的零件都是依据传统制造工艺设计的,3D 打印能比得过那就奇了怪了!

如果想找到 3D 打印有优势的零件,必须要把设计与工艺结合起来

为了方便理解,在此举个例子:

波动顿动力机器人后空翻 https://www.zhihu.com/video/1042482885630078976

大家还记得这个灵活的机器人吗? 这是由 Boston Dynamics 开发的。可以理解的是,要实现这样的壮举,不仅需要牛逼的控制算法,机器人本身的轻量化也非常重要。

那些轻功不错的武侠人士,一般都不是胖子,不是吗?

波士顿副总裁亚伦桑德斯指出,轻量化的秘密,就在于 3D 打印3D 打印出的钢、铝,并不会比冲压、铸造出来的密度更低,要想实现轻量化,必须在设计上下功夫。

让我们看看 3D 打印让机器人的腿,获得了什么样的进化:

  • 拓扑优化与晶格结构: 右腿的“骨骼”有一个明显的中空部分,这就是通过拓扑优化来实现轻量化;“骨骼”部分采用晶格结构,可以进一步实现轻量化。这些工作,用铸造或机加工,都很难实现
  • 内部流道:左腿的液压管是暴露在外部的,而右腿中,则直接集成到了“骨骼”内部,不仅更加可靠,还节省了固定液压管的重量与体积。

从波士顿机器腿部的进化,我们可以看出:工艺变革必须与设计变革结合起来,才有可能创造价值

回到汽车行业,燃油汽车的轻量化可以减少油耗与污染,而电动汽车的轻量化更为重要——可以缓解续航问题。

尽管存在潜在的需求,但将 3D 打印应用到汽车行业还是困难重重。除了 3D 打印技术本身需要在成本、速度上进一步提升之外,设计人才、设计软件的进化也刻不容缓。

  • 设计软件:传统的 CAD 软件,大多是针对传统制造方式设计的,像拓扑优化、晶格结构这种功能还比较难用,或根本没用。
  • 设计人才:几十年以来,无论是工业设计还是结构设计,都是依据传统工艺发展出的设计理念。在传统理念中,3D 打印的拓扑结构与晶格结构无异于“大逆不道”—— 根本加工不出来的结构,设计出来有什么意义呢?

所以说,这不仅仅是 3D 打印一个行业的事业,而是需要多个领域跨界融合,才能推动得快一些。

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