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3D打印技术可以打印汽车?

3D打印这项技术可以让物美价廉的节能汽车走进千家万户?现在,这已经不是天方夜谭了。

如果一辆被擦得锃亮、通体涂着耀眼蓝色车漆的传奇车型摆在人们的面前,那它想不吸引眼球都难。不过在今年一月末举办的群星荟萃的底特律车展上,这辆来自美国橡树岭国家实验室(ORNL)的Shelby Cobra(福特野马眼镜蛇)经典超级跑车如果想在众多展车面前大出风头的话,还真要有两把刷子才行。

在这次车展,讴歌和福特都推出了它们的最新超级跑车NSX和全新GT,同时众多厂商都自豪地展示着自家最新研制的混合动力和纯电动汽车,会场另外一边那些涂着哑光漆的威猛军用展车和狂野的豪华皮卡,和所有这些展台明星一起,在这80多万参观者面前互相争风吃醋,令人目不暇接。

不过在主打未来汽车科技的一个展区,这辆曾在1967年大出风头的经典车型,Shelby Cobra,意外地被摆放到这里,似乎在蠢蠢欲动,意欲再次引领潮流。

橡树岭实验室制造组的组长勒夫觉得那些参观者路过它时估计会问,这到底是什么情况,这个古董怎么会出现在这个展厅。不过直到有人在它的旁边立了块牌子:由3-D打印机制造,才有人停下来仔细想想这是怎么回事。

这个项目是为了验证一种最新的概念,即“增量制造技术”,看看这项技术在汽车工业是不是也能大放异彩。在传统制造工艺中,基本过程就是把一块金属坯子用车床一点点削成想要的形状,是减法,而增量制造技术是从零件的底部开始,当印刷一样,一层一层地添加物料,是加法。使用这种技术的车厂可以大大缩减产品的研制和调试时间,从而降低整个生产周期中的碳排放量,并且让厂家在面对某些特殊需求的汽车市场时能够更快做出反应来抢占先机。勒夫坚信他们运用的3-D打印技术能够在汽车制造领域突破常规,异军突起。

减少的是零件数目,增加的是生产速度

在六周周时间内,在3D打印机的帮助下,研究人员利用高强度的复合碳纤维为Cobra制造了底盘和车身钣金。目前量产车的零件数目一般会达到2000个左右,而这辆打印出来的Cobra却只有不到70个零件,总重量仅仅750千克。不是开玩笑,你在几天之内就可以把整套传动系统(引擎、变速箱、轴系等)安装到底盘上,这辆车在最终量产后的价格也会出奇地低廉,开走它大概仅仅需要14000美元。

即使Oak Ridge Shelby Cobra把之前V8发动机爆发出的迷人声浪换成了由一台功率100千瓦电机的嗡嗡作响,不过它在全力加速时仍然可以在路面留下一串的胎痕,其0至100公里每时加速成绩可进到5秒之内。而且它的电机、传动系统、刹车和轮胎都是全新设计的,也就是说,它仍然是一辆不折不扣的超级跑车。

福特汽车增量制造研究小组组长Ellen Lee说她之所以为这辆3D打印汽车感到兴奋,是因为这表明每家车厂都可以运用这项技术把自家的车变得更加物美价廉。这辆历经风雨的经典车型在这次车展上再次绽放光芒。

其实在过去的30年中,有不少车厂已经以不同的方式尝试过把增量制造技术运用到汽车制造领域中,但是在设计和原型车制造阶段所使用的一次性设备大大限制了这项新技术的应用。

因为单单研制一台用来生产门板、保险杠和底盘零件的3D打印设备就需要好几个月,并花掉上百万的美金,所以这个新技术目前还难以与那些传统工艺正面交锋,例如注射制模和冲压制造工艺,这些传统工艺在几秒钟就会造出一个零件,然后东拼西凑就会造出一台量产车。

另外增量制造技术也存在着一些结构上的缺陷,由于整个制造过程是一层一层进行的,所以这些零件如果以整个平面来受力的话还好,但当它们以某一点受力时就很可能断裂。同时在打印过程中,零件还会留下丑陋的扇形边缘,这辆Cobra是经过了大量的打磨和抛光供需才得以展现出那经典的车身曲线的。

更短的制造周期意味着消耗掉更少的能源

像福特汽车这样的大型汽车制造商,3D打印的价值逐渐体现在汽车的设计阶段和制造模具的过程中。在制造原型车的过程中,可以利用3D打印技术在成品上直接进行设计更改,而不用修改模具再重新造。这就把产品的研制和生产周期从几年的时间缩短到仅仅几个月,好让那些新颖的汽车更快地从实验室被开到公路上去。

另外,除了完全用这项技术去和传统工艺对抗,我们也可以用它去改进这些传统工艺。目前车厂使用的生产模具都是将钢铁或者铝打磨且削而成的,是一个昂贵、耗时又耗能的过程。特别是对于原型车或者限量车型来说,这个代价太大了,为它消耗掉的能源也是不太值得的。

有了3D打印技术,工程师在几个小时之内就生产出定制的模具,并且在设计零件的过程中可以从根本上减少产品重量和物料的消耗量,这是传统工艺难以做到的。这种节能环保生产方式,可以为那些纯电动车和油电混合动力汽车展现出一种更加环境友好的姿态,不必再用“少烧油”去抵消制造它们过程中所造成的那些污染和排放。

那些新兴的汽车制造公司也在关注的增量制造技术的应用前景。这种技术在一定程度上降低了生产汽车及其零部件的门槛,也将大大吸引那些创业者来涉足汽车制造领域。

不久前,一座关于研究先进复合材料与创新制造的研究所在田纳西州立大学成立,拉拢了约两亿五千万资金,包括橡树岭国家实验室以及福特汽车等122个机构参与了这个项目。这个项目的目标就包含了为汽车的轻量化研究新材料新技术。

这仅仅是3D打印技术在汽车领域的一个表现,如今越来越多的资金和人力已经投入到了这项新技术的开发中,相信3D打印早晚有一天会走进千家万户。

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