3D打印能否替代傳統(tǒng)零部件制造技術

“作為一種零部件制造新技術，3D打印在一定程度上可以提高部分零部件制造的效率和精度，降低成本，其技術本身仍在不斷發(fā)展之中。”全國乘用車市場信息聯(lián)席會秘書長崔東樹在接受《中國汽車報》記者采訪時說，這一新技術再度升溫，也是解決當前零部件供應鏈“保供”難題的有益探索。

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，汽車零部件供應鏈危機屢現(xiàn)。很多汽車及零部件企業(yè)都在想方設法破解這一難題。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打印機進行制造的企業(yè)。今年4月，為應對新冠肺炎疫情導致歐美一些汽車零部件企業(yè)停工減產(chǎn)的現(xiàn)實問題，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商停工減產(chǎn)情況下的零部件供應難題，還提高了這些零部件的生產(chǎn)效率。

3D打印技術能解決燃眉之急，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，設計了一款汽車發(fā)動機曲柄軸，并采用3D打印技術制造，從而實現(xiàn)車輛輕量化并提升了發(fā)動機燃油經(jīng)濟性。曲柄軸在汽車發(fā)動機中發(fā)揮著關鍵作用。該部件能夠將活塞擺動轉化為旋轉力，對耐磨損度有著較高要求。曲柄軸的外形必須耐受燃燒壓力，且隨時維持轉動平衡。上述因素導致曲柄軸的設計大致定型。在發(fā)動機技術發(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，可實現(xiàn)減重30％，成為提高燃油經(jīng)濟性的一項新突破。

業(yè)內專家認為，3D打印技術*大的優(yōu)勢就是，不必開發(fā)制造工具、購置生產(chǎn)設備；靈活性高、適合復雜形狀和結構、適合組合材料、工序精簡等特點，恰好克服了部分汽車零部件傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的不足。當前，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打印技術一旦成熟，將會對汽車零部件等傳統(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，可以使汽車零部件重量減輕40％、強度增加20％�！�3D打印現(xiàn)在是我們的靈丹妙藥。隨著科技不斷進步，通用汽車可以借此方法生產(chǎn)數(shù)千甚至數(shù)萬個零部件。”通用汽車公司制造總監(jiān)奎恩這樣說。

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、結構復雜的高端品牌車型零部件。大眾認為，與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印金屬零部件不僅能夠實現(xiàn)更為復雜的結構，還能減少材料的浪費。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)測試，在不影響強度和耐久性的前提下，使用金屬3D打印的結構件能夠將A柱加固系統(tǒng)的重量減輕74％。大眾表示，今后將采用3D金屬打印技術大規(guī)模生產(chǎn)汽車零部件。

使用3D打印技術生產(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稀缺的難題，如已經(jīng)停產(chǎn)多年或極其稀有的車型，找零件很難并且價格不菲。而現(xiàn)在可以按照需求，使用3D打印技術生產(chǎn)出指定的零部件。保時捷就用這種工藝為其老款車型生產(chǎn)了約30個零部件。

“3D打印技術既可以解決汽車零部件生產(chǎn)的精細化、標準化問題，也可以在疫情等非常狀態(tài)下提供應急的制造方式，是一項值得發(fā)展的有前景的新技術�！比�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》記者采訪時表示。

替代傳統(tǒng)制造技術并不容易

當前，很多企業(yè)已經(jīng)開啟了使用3D打印技術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打印技術在部分汽車零部件制造領域的應用主要涉及四個方面：即動力總成、底盤系統(tǒng)、內飾、外飾。在動力總成上，歐洲跑車制造商蘭博基尼利用3D打印技術為其跑車制造發(fā)動機管道，可制造出復雜的幾何結構。在底盤上，生產(chǎn)裝配工具和功能測試是三維打印技術在汽車底盤系統(tǒng)開發(fā)和生產(chǎn)中的兩個常見應用。蘭博基尼還利用工程級熱塑性塑料制造高強度汽車底盤原型，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。在內飾上，3D打印可以制造儀表板、空調排氣扇、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)的危機是否來臨？其實，這需要客觀分析。有人曾表示，當3D打印成本越來越低、技術越來越成熟時，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)設計服務、依靠3D打印制造即可，大量一線生產(chǎn)工人會被3D打印機替代。假如一旦3D打印技術可以大規(guī)模生產(chǎn)大多數(shù)零部件，那么對傳統(tǒng)零部件企業(yè)將構成極大威脅與挑戰(zhàn)。

業(yè)界人士認為，3D打印制造汽車零部件方式，既有優(yōu)勢，也劣勢。其主要優(yōu)勢包括：

一是設計空間幾乎無限。傳統(tǒng)制造技術的零部件產(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，制模機僅能制造模鑄形狀。3D打印機可以突破這些局限，開辟巨大的設計空間，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人員。傳統(tǒng)制造的技術人員，需要多年經(jīng)驗積累，才能*掌握所需要的技能。批量生產(chǎn)和計算機控制的制造機器降低了對技能的要求，非技能制造開辟了新的商業(yè)模式，并能在遠程環(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。對傳統(tǒng)制造方式而言，將不同原材料結合成單一零部件產(chǎn)品是困難的事，多材料3D打印技術可以將不同原材料融合在一起，具有獨特的屬性或功能。

四是減少廢棄副產(chǎn)品。與傳統(tǒng)的金屬制造技術相比，3D打印機制造金屬零部件時產(chǎn)生較少的副產(chǎn)品。傳統(tǒng)金屬加工方式生產(chǎn)零部件的浪費量驚人，3D打印制造金屬時浪費量減少。隨著打印材料的進步，“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)制造機器相比，3D打印機設備可以自由移動，可以打印制造比自身還要大的物品。

同時，3D打印方式的缺點也很明顯。首先是材料種類的限制。3D打印機對可以使用的材料有很多要求，如顆粒精細度、粘合度，適宜的濕度、溫度等，且很多材料價格也偏高。其次是成本較高，可用于工業(yè)制造的3D打印機不僅本身成本高，所使用的材料價格也較高，算下來沒有成本優(yōu)勢。第三是知識產(chǎn)權問題。隨著近年來全世界對產(chǎn)權和知識產(chǎn)權保護的加強，3D打印零部件或許會侵犯*的合法權益。

事實上，雖然3D打印技術已成功地將部分傳統(tǒng)復雜的零部件生產(chǎn)工藝簡單化，將材料領域的疑難問題程序化，擁有諸多優(yōu)勢，但擴展3D打印技術的應用還存在一些問題。受技術裝備、新型材料、設計軟件、質量安全和公共環(huán)境等制約和影響，當前僅適用于少批量、小尺寸、高精度、造型復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。

“3D打印在一定程度為零部件制造增加了一種新技術，指望其完全替代傳統(tǒng)制造方式是不合乎邏輯，也不現(xiàn)實的�！敝袊�汽車工業(yè)協(xié)會顧問杜芳慈向《中國汽車報》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，只能在部分領域發(fā)揮其特長，對零部件制造而言，各種方式揚長避短、互相補充更重要。

的確，3D打印技術在汽車零部件制造上僅用于新產(chǎn)品或關鍵零部件樣機原型原理、可行性方面的驗證，在需要驗證零部件強度、剛性等物理特性方面應用不多。當前，3D打印技術取代傳統(tǒng)鑄造、鍛造技術進行汽車零部件的大批量、規(guī)�；�生產(chǎn)還不現(xiàn)實。只有將3D打印技術的個性化、復雜化、高難度的特點與傳統(tǒng)制造業(yè)的規(guī)�；�、批量化、精細化相結合，與制造技術、信息技術、材料技術相結合，才能不斷推動3D打印技術在汽車零部件產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

國內企業(yè)應趕超國際先進企業(yè)

3D打印技術發(fā)展速度很快，在汽車零部件制造業(yè)的應用也越來越廣泛。

當前，在國內汽車零部件中，汽車空調、儀表操控臺、空調散熱片、壓縮機端蓋、門護板、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打印技術制造了袖珍手提板、汽車空調模型、生產(chǎn)工具等產(chǎn)品。

時至今日，國內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”的現(xiàn)狀，使用3D打印技術并不普遍。國內的工業(yè)級3D打印制造設備與國外先進水平相比還存在一定差距，大多數(shù)設備精密程度、可靠耐用性、耗材供應等方面均有不足，高端設備與耗材均需進口。同時，國內部分工業(yè)級3D打印機設備的激光頭等關鍵器件需進口，而且，國內打印耗材的材料質量和品種上還遠不如歐美，很多材料尚需進口。

當前，世界各主要發(fā)達國家的汽車零部件制造業(yè)都在發(fā)展3D打印技術，3D打印新材料、新技術、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，應用范圍不斷擴大，產(chǎn)業(yè)規(guī)模日益壯大。由于我國3D打印技術起步較晚，在基礎理論、材料研發(fā)、工藝技術、核心元器件等方面與國際先進水平還有距離，整體產(chǎn)業(yè)規(guī)模小能力弱，需要構建并完善3D打印產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，從而推動零部件制造產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

華中科技大學、清華大學、西安交通大學、北京航空航天大學、西北工業(yè)大學等高校、科研機構都在進行3D打印技術研究，并有3D打印設備產(chǎn)品。國內已有汽車零部件制造企業(yè)，依托高校進行成果的產(chǎn)業(yè)化應用。

當前，國內零部件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、機械、軟件開發(fā)等傳統(tǒng)和前沿的技術，以及信息技術數(shù)字化平臺作為支撐，更需要應用驗證及優(yōu)化改進，這就需要汽車零部件制造等相關企業(yè)的實踐，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�！耙环矫媸窃O備價格昂貴、使用的原材料價格高，另一方面是打印技術不夠成熟，如一些零部件的強度不夠。”浙江某零部件公司負責人告訴《中國汽車報》記者。

二是市場規(guī)模有限。“從傳統(tǒng)零部件制造換成3D打印制造，需要技術驗證，這就需要時間和成本，這個費用誰來出，而且存在*終不能用的風險，整車廠目前很難接受，所以我們也就沒有上3D打印制造項目。”正如山東一家零部件企業(yè)相關人士所言，國內的工業(yè)級3D打印設備在一些關鍵技術環(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、部分特種材料的制備技術等，當前都還沒達到零部件產(chǎn)品制造的技術標準，由此限制了3D打印零部件的市場拓展。

三是產(chǎn)業(yè)鏈不配套�！凹词官徶昧藝�產(chǎn)或進口的3D打印設備，維修保養(yǎng)也是個問題�！睆V東某汽車注塑件企業(yè)負責人告訴記者，國內的3D打印設備還沒有形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，服務跟不上，這也是導致3D打印難以大量應用的一個“堵點”。

另外，汽車零部件的3D打印制造方面，還存在著技術標準不夠健全、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，進行引導，并且要組織力量加強設備及消耗材料的技術研發(fā)，完善服務等配套產(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)新到應用的各個環(huán)節(jié)，國內零部件企業(yè)的3D打印制造才有可能加速發(fā)展，在這一領域與國外同行進行市場競爭�！倍欧即日J為。

國內零部件領域3D打印技術的推廣，除了技術及市場因素，還有相關產(chǎn)權保護的法律問題�！靶枰�企業(yè)高度重視的是，3D打印涉及的知識產(chǎn)權問題不容忽視�！敝袊�社會科學院法學研究所研究員李順德表示，這主要包括兩個方面，一方面是3D打印設備的知識產(chǎn)權，如果購買使用了侵權產(chǎn)品，在特定條件下同樣要承擔法律責任；另一方面是打印的汽車零部件產(chǎn)品，也直接涉及知識產(chǎn)權問題。

中國科學技術法學會副會長何敏認為，一方面國內企業(yè)的知識產(chǎn)權保護水平亟待提升，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打印的專利保護條款，在專利司法程序中對3D產(chǎn)業(yè)領域中出現(xiàn)的爭議增加相應司法解釋；同理，也要在《著作權法》等相關法律法規(guī)中完善相關規(guī)定，加強保護力度，為產(chǎn)業(yè)發(fā)展保駕護航。

值得欣慰的是，近年來，國內的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)改委和財政部聯(lián)合發(fā)布了《國家增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展推進計劃》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，都為汽車零部件領域的3D打印制造打下了良好的基礎。

“此次疫情給全球零部件供應鏈造成了一些負面影響，對于零部件3D打印制造新技術的發(fā)展而言，是壓力，也是動力，國外零部件企業(yè)推波助瀾，對于國內零部件企業(yè)來說是機遇，也是挑戰(zhàn)�！辈茭Q認為，國內企業(yè)應該借此機會，高度重視，抓住機遇，加快技術創(chuàng)新和應用，在3D打印這一新技術的競爭中加速趕超發(fā)達國家企業(yè)。