3D打印能否替代傳統(tǒng)零部件制造技術(shù)？
最近，特斯拉用3D打印方式生產(chǎn)部分汽車零部件。
“作為一種零部件制造新技術(shù)，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(shù)本身仍在不斷發(fā)展之中?！比珖擞密囀袌鲂畔⒙?lián)席會秘書長崔東樹在接受《中國汽車報(bào)》記者采訪時(shí)說，這一新技術(shù)再度升溫，也是解決當(dāng)前零部件供應(yīng)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(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)最大的優(yōu)勢就是，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(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％?！?D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?！蓖ㄓ闷嚬局圃炜偙O(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(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(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，也劣勢。其主要優(yōu)勢包括：
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。第三是知識產(chǎn)權(quán)問題。隨著近年來全世界對產(chǎn)權(quán)和知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的加強(qiáng)，3D打印零部件或許會侵犯發(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)工藝簡單化，將材料領(lǐng)域的疑難問題程序化，擁有諸多優(yōu)勢，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。
“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，對零部件制造而言，各種方式揚(yáng)長避短、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)?；a(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)?；?、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、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?！耙环矫媸窃O(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?！闭憬沉悴考矩?fù)責(zé)人告訴《中國汽車報(bào)》記者。
二是市場規(guī)模有限?！皬膫鹘y(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打印零部件的市場拓展。
三是產(chǎn)業(yè)鏈不配套?！凹词官徶昧藝a(chǎn)或進(jìn)口的3D打印設(shè)備，維修保養(yǎng)也是個(gè)問題?！睆V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?！斑@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)行市場競爭?！倍欧即日J(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打印涉及的知識產(chǎn)權(quán)問題不容忽視?！敝袊鐣茖W(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，也直接涉及知識產(chǎn)權(quán)問題。
中國科學(xué)技術(shù)法學(xué)會副會長何敏認(rèn)為，一方面國內(nèi)企業(yè)的知識產(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3D產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中出現(xiàn)的爭議增加相應(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，對于國內(nèi)零部件企業(yè)來說是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。”曹鶴認(rèn)為，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該借此機(jī)會，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)的競爭中加速趕超發(fā)達(dá)國家企業(yè)。
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