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只要3D打印机和一台机床便可制造汽车

核心摘要:只要3D打印机和一台机床便可制造汽车

美国Local Motors公司与美国橡树岭国家实验室(ORNL)等联合开发出了3D打印汽车“Strati”。截至2015年2月已通过造型手段制造了4辆,其中两辆是可实际行驶的电动汽车(EV)*1

*1 以2015年底为目标计划上市3D打印汽车。首先将上市最高时速35英里/小时(约50km/小时)、续航距离约80英里(130km)的“低速款”版本。价格为1.8万~3万美元。计划在2016年底之前上市“实现高速公路行驶,并使续航距离倍增”(常驻ORNL的美国Local Motors公司高级制造工程师James Earle)的3D打印汽车。除了EV之外,还计划开发发动机汽车的3D打印车,“将研究隔热构造”(Earle)。

Strati的研发基地位于ORNL内的“制造示范基地(Manufacturing Demonstration Facility,MDF)”(田纳西州诺克斯维尔,图1)。该3D打印车“工厂”设有大型3D打印机、用于打磨造型品表面的5轴切削加工机,以及组装场地(图2)。现场没有输送带及手推车之类的任何搬运装置。从3D打印机上卸下来,再装到5轴加工机上时,“用叉车抬一下就行了”(Earle)*2。

图1:位于美国橡树岭国家实验室制造示范基地内的3D打印车开发基地,美国Local Motors公司的技术人员(高级制造工程师James Earle)常驻此地,共同推进研发。

图2:制造3D打印车时需要的设备。(a)为ORNL内的3D打印机。属于研发机型,相当于美国Cincinnati公司制造的“BAAM”的前身。(b)为精加工用途的5轴加工机。

*2 用3D打印机造型的Strati的车身重约550kg。普通汽车的骨架、车门、发动机罩及内装部件合起来约有400kg左右,与之相比较重。

2万个部件减至50个以下

目前的“工厂”就是研发设施内部被称为MDF的地方,不过Local Motors公司预定在2015年内运用与ORNL的共同研究成果在附近设立小型工厂“微工厂(Microfactory)”,开展3D打印车的商务运作。该微工厂所需要的设备也不会有很大不同。

工厂小的最大原因是需要的部件数量减少到了1/400左右。EV的部件数量通常约2万个,而Strati目前不到50个。Local Motors公司用3D打印机制造车身及底盘等部件,与已有汽车比较,这些部件每一个都相当于将至少数百个部件集为一体。

普通汽车的车身和底盘,为了实现在确保强度的同时吸收碰撞能量的构造,大多利用由钢板冲压成型的多个部件经焊接等工艺组装成骨架。而且外板也是通过冲压成型制成顺滑曲面的独立部件。而3D打印车不同,通过充分利用造型上的高自由度,“连吸收碰撞冲击的构造也被纳入了一个部件的内部” (Earle)。因此,现行汽车的车身组装生产线工序只用一台3D打印机便可包办。

这里最关键的是,要用树脂制造的造型品来确保充分的强度。“凭借目前使用的、以20%比例添加碳纤维来强化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS),就足以满足要求”(Earle)*3。Local Motors公司力争2015年内达到美国的法规要求,启动公路行驶试验。

*3 目前还在做其他尝试,比如将纤维改为可实现带色车身的玻璃纤维,以及将聚合物改为PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等。

诞生Strati的大型3D打印机“BAAM(Big Area Additive Manufacturing)”目前拥有约4.0×2.0×0.9m的造型范围(图3)。由ORNL开发,由机床厂商美国Cincinnati公司制造*4。“今后还有望用3D打印机来实现电机及悬挂的造型。而且还可考虑组合使用多种材料,比如利用比车身柔软的材料对保险杠部实施造型”(Earle)*4。

图3:3D打印机“BAAM”。由喷嘴喷出熔融树脂的热熔解积层方式的3D打印机。拥有4.0×2.0×0.9m的造型范围。使用碳纤维强化ABS时,1小时可喷出多达16kg的材料。照片由Local Motors公司提供。

*4 由粗约8mm的喷嘴喷出熔融树脂来造型。喷嘴的每秒移动距离为76mm,积层厚度为4mm。还有将造形范围扩大至6.1×2.4×1.8m的机器。 ORNL利用相同的装置制造了造型与老爷车“Shelby Cobra”相同的EV,并在2015年1月举行的“North American International Auto Show(底特律车展)”上展出。

5轴加工机用于对造型后的车身实施追加加工。之所以要使用该加工机,主要是因为组装部件的部位要提高形状精度。尤其是目前来看,作为采购部件的悬挂,其安装部位的形状需要高精度加工。

另外,在实现平滑的外观时也需要使用5轴加工机。虽然之后还可做涂装,但通过粘贴像公交广告招贴那样的贴膜,便可获得不亚于已有汽车的外观效果。这时与凃装相比,设备和工序都很简单*5。

*5 实际上,作为Local Motors公司目前的商品,越野车“Rally Fighter”就使用了贴膜,由此实现了每辆车都不同的颜色及花纹。

按照每个顾客的要求来改变造型设计

Strati用3D打印机造型的时间为44个小时,组装时间为24个小时。造型时间“将力争通过改进3D打印机缩短至10~12小时”(Earle)。

与能够用数小时来组装的现有汽车相比,使用3D打印时每辆车的生产耗时较长。但“Local Motors公司并不想制造大量生产的汽车。而是以少量生产贴合顾客个性需求的汽车为目标”(Earle)。因此,与生产及组装所需要的时间相比,该公司更重视缩短从确定造型设计到产品完成的时间。

Strati的最新试制车在2014年12月初确定造型设计,在2015年1月底完成,共花费了2个月时间(图4)。普通汽车从确定造型设计,到之后制造模具等生产设备、建立生产体制,再到量产1号车完成,至少要花费10个月时间,但Strati要短得多。“今后将力争缩短到1周左右” (Earle)。

(责任编辑:赵燕)
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