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3D打印对汽车制造的内外驱动力及当今汽车增材制造市场

2020年09月15日

    Wholers Report 2020指出,2019年全球3D打印市场总值达到118.67亿美元,相比去年增长21.2%,这已是这项技术连续10年以超过20%的年增长率快速发展,汽车行业则以16.4%的占有率引领行业应用。与此同时,SmarTech Analysis统计的2019年汽车全球增材制造市场总值为13.9亿美元,到2029年汽车零部件生产中与3D打印相关的市场规模将达到90亿美元。

    可见的是,宝马、福特、大众等汽车厂商不断加码对3D打印的投入,无论从成本还是汽车未来发展的角度,这都是大势所趋。

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汽车增材制造市场规模2019-2029预测(来源:SmarTech Analysis)

01  3D打印对未来汽车制造的内外驱动力

    促使汽车行业大规模引入3D打印的原因可以从经济成本、竞争压力以及汽车未来发展趋势的内外部原因来分别解释。

    自1990年代3D打印开始商用后,汽车工业就在使用该技术进行原型制造,汽车行业也更容易接受将3D打印视为制造增值产品的一种手段,而这些产品只能通过增材制造来实现。时至今日,增材制造技术在汽车制造商心目中的地位发生了根本变化,其原因涉及以下因素:

    1. 汽车行业面临巨大的价格和成本压力

    2. 制造商需要追求运营优势,以保持竞争力

    3. 消费者对定制的需求给小批量和个性化零件的生产带来低效,这增加了制造的复杂性。

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3D打印在汽车零部件制造中的应用

   在市场变化的压力下,汽车厂商急需新的技术来解决运营和市场需求带来的压力。随着3D打印技术的快速发展,特别是近年来该技术在功能性零件直接制造以及批量制造方面的突破,汽车制造商逐渐注意到3D打印确实可以解决一些实际问题,能够降低小批量制造过程中的生产成本,并在一定程度上迎合市场需求。作为一项被普遍认为将改变未来生产方式的技术,一些汽车生产商需要借助它来保持对汽车行业的引领作用。

    除了经济成本和市场竞争压力等内部原因外,电动汽车、自动驾驶以及共享汽车等新型出行服务的发展已经动摇了汽车行业的格局,这些都会对汽车制造商和零部件供应商产生不同程度的影响。汽车行业本身的发展给车辆前端设计带来了一些改变,热量管理以及设计空间和整体重量的减少越来越被重视;与车辆安全和舒适性相关的结构也需要用新的技术来实现。

    这些关键趋势需要3D打印服务商和采用3D打印技术的汽车供应商能够以更快的速度、按需提供更优化的新产品。

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3D打印用于汽车部件结构优化和减重

    考虑到当前汽车行业的发展趋势,在一些情况下,减重将尤为重要。在过去的三年中,已经出现了许多采用轻量化材料和结构进行新的元器件系统设计的案例。通过重新设计车身或其他各种部件,可优化零件性能重量比,增材制造技术在实现零件减重方面可以发挥重要作用。

    未来,增材制造技术可能成为多种减重策略整合下更可行的解决方案,这也使得它成为改善燃油经济性的有力保障。此外,无论是采用轻质合金、高性能聚合物还是进行先进的几何结构优化来实现减重或者节省更多空间,增材制造技术都成为当前汽车发展趋势下不可缺少的关键技术。

02  当今全球汽车市场增材制造使用现状

        由于汽车市场面临巨大的成本竞争压力,在增材制造技术方面的投资效益实际上不如其他细分市场(如航空航天、医疗、牙科和消费品)那么直接。3D打印在大规模定制方面具有极大优势,然而在零件性能和生产自动化方面却表现不佳,该技术在汽车制造领域需要关注长期效益。

    此外, 3D打印领域还存在这样一种现象,业内材料的收入几乎占到了应用收入的一半,而对于其他技术,前者往往比后者小几个数量级。这也是3D打印设备商看中汽车市场的重要原因。未来汽车制造将越来越多的采用增材制造,而随着经济规模增大,材料和硬件成本将逐渐下降,汽车制造商的长期效益将非常显著。

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宝马增材制造产业园拥有当今所有最先进的3D打印技术

    目前,很多汽车制造商和3D打印机设备商确立了合作关系,通过将3D打印端到端的集成到汽车制造生产线中,可以更好的进行零件设计和生产策略规划,并力图逐步实现3D打印生产的自动化。

    德国汽车制造商在开发用于最终零件生产的3D打印应用方面进行了迄今为止最大规模的投资。大众汽车集团报告称,3D打印在其零件生产中的采用率最高,奢侈品牌布加迪和兰博基尼的应用案例具有里程碑的意义;戴姆勒·奔驰集团和宝马集团则宣称实现了该技术最重要的应用,特别是粉末床熔融技术,已被用于按需备件生产和其他零件的直接大批量生产。基于对更大产量和更低成本的需求,大众汽车已开始使用具有高吞吐量的惠普金属粘结剂喷射成型技术进行零件直接生产。

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福特先进制造中心涵盖3D打印、虚拟现实等先进技术

    美国和法国汽车制造商在使用3D打印技术方面紧随其后。福特汽车在复合材料等增材制造技术方面进行了大量投资;特斯拉虽对自己使用的3D打印技术严格保密,但电动汽车对散热的特殊要求可能会让特斯拉不得不考虑该技术,此外,近日其Model Y后车架上的创成式设计,也能看到3D打印的使用身影。法国标致雪铁龙集团已采用金属粉末床熔融技术直接生产Divergent超级跑车的多个组件,而米其林也在采用旗下AddUp的同类3D打印技术生产轮胎模具。

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特斯拉Model Y后车架上的创成式设计

        中国和日本的汽车制造商通常依赖外部3D打印服务商通过精密铸造或直接3D打印来生产零件(实际上欧美汽车制造商也是如此)。以上汽大众为代表的中国汽车制造商,已在使用3D打印进行前端设计,来提高产品的成熟度。目前,已经有相当数量的汽车制造商在使用FDM(如Stratasys或其他一些品牌可以加工高温聚合物的打印机)或Polyjet技术来生产工具、铸模、夹具和固定装置等。


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