根據3D科學穀的市場觀察，談到汽車行業(ye) ，3D打印目前仍然主要局限在原型和小批量零件的應用領域，但我們(men) 想改變這一點，那麽(me) 要將3D打印尤其是金屬3D打印技術納入到汽車領域的大批量生產(chan) ，使其成為(wei) 適合汽車生產(chan) 的經濟可行的技術，麵臨(lin) 的挑戰有哪些呢？

汽車行業(ye) 需要利用增材製造的具體(ti) 優(you) 勢來提升產(chan) 品設計，但是當談到用於(yu) 經濟性的生產(chan) ，以便將產(chan) 量從(cong) 小批量的十幾個(ge) 增加到每年100萬(wan) 個(ge) 。在業(ye) 界能夠打破這個(ge) 百萬(wan) 產(chan) 能障礙之前，3D打印對於(yu) 進入到汽車的生產(chan) 線方麵將一直處於(yu) 死胡同。

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技術快速進化帶來新機遇

根據3D科學穀，目前增材製造對於(yu) 汽車生產(chan) 來說太慢了，考慮到與(yu) 相互競爭(zheng) 的其他製造方法相比，衝(chong) 壓機每六秒鍾可生產(chan) 一個(ge) 零件，而粉末床金屬熔融技術則需要幾個(ge) 小時才能生產(chan) 一批小零件。

幸運的是3D打印技術在飛速的進化，除了更多的激光器，Fraunhofer的futureAM項目還開發了比傳(chuan) 統LPBF係統至少快十倍加工速度的下一代金屬3D打印技術。

在邁向效率提升的目標之路上，除了粘結劑噴射金屬3D打印技術，業(ye) 界近幾年還誕生了一些新的技術，包括修拉Seurat Technologies 的區域打印方法，Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術通過模具打印與(yu) 金屬填充打印的結合以最大化生產(chan) 力，Aurora labs的MCP多點同時熔化金屬3D打印技術，通過洞悉金屬3D打印的新發展，可以直觀的感受到3D打印技術的整體(ti) 發展正在與(yu) 汽車行業(ye) 產(chan) 業(ye) 化一致的方向發展，追求汽車行業(ye) 所追求的製造效益。 金屬3D打印技術進入到產(chan) 業(ye) 化領域的局限性包括速度、成型尺寸、成本、質量一致性等等，根據MTC大會(hui) ，當前3D打印的產(chan) 品價(jia) 格中高達70%的成本來自設備成本，而材料也占據了30%的成本。而在傳(chuan) 統製造工藝中，材料成本不超過產(chan) 品成本的3%。

突破當前局限，邁向更高的速度，更好的過程控製，更適合的材料，全世界的3D打印玩家無不是向這個(ge) 方向在發力。

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Fraunhofer的futureAM – 掃描振鏡和線性軸係統的同步運動

亞(ya) 琛Fraunhofer ILT已經開發出用於(yu) LPBF（基於(yu) 粉末床的金屬熔化3D打印技術）的下一代新型加工解決(jue) 方案，該解決(jue) 方案具有可擴展性，可以生產(chan) 比傳(chuan) 統LPBF係統至少快十倍加工速度的大型金屬部件。目前LPBF係統樣機提供了大的，有效可用的構建體(ti) 積（1000毫米x 800毫米x 500毫米）。

為(wei) 了提高係統的生產(chan) 率，實現了掃描振鏡和線性軸係統的同步運動。增強的激光粉床熔化（LPBF）加工策略的另一個(ge) 亮點是軟件，用於(yu) 控製粉末材料熔化時的能量輸入，可以為(wei) 每個(ge) 熔體(ti) 軌跡分別設置工藝參數，以提高部件質量和製造速度。

德國亞(ya) 琛Fraunhofer ILT

不僅(jin) 僅(jin) 局限在設備的加工速度、精度方麵的開發，Fraunhofer的futureAM項目包含了更多“柔性”的增材製造技術，例如在線過程控製技術的開發，工藝穩健性的開發，以及基於(yu) 數字孿生的網絡化流程鏈的開發等。根據弗勞恩霍夫激光技術研究所Fraunhofer ILT，增材製造現在處於(yu) 工業(ye) 實施的門檻上，而從(cong) FutureAM項目中共同獲得的專(zhuan) 業(ye) 知識現在將轉移到工業(ye) 應用中。

修拉Seurat Technologies 的區域打印方法

Seurat Technologies 發明了一種新穎的區域打印方法，有可能突破當今金屬增材製造的限製。這項新技術並沒有增加激光源的數量，而是使用一種全新的光束操縱方法來增加每次熔化的體(ti) 積。雖然通常的金屬 AM 係統的光斑直徑為(wei) 100 微米，但 Seurat 係統可將 200 萬(wan) 個(ge) 激光點傳(chuan) 送到粉末床區域中，每個(ge) 光點的直徑約為(wei) 10 微米。使用這種方法，Seurat 可以同時大幅提高構建速度，同時還可以提高分辨率。與(yu) 其他單一激光係統相比，Seurat TechnologiesTM 將構建速度提高了 1000 倍。

根據3D科學穀的市場觀察，這種技術孵化於(yu) LLNL國家實驗室。使用光尋址光閥（OALV-optically-addressable light valve）作為(wei) 光掩模，一次性打印整層金屬粉末。使用多路複用器，激光二極管和 Q開關(guan) 激光脈衝(chong) 來選擇性地熔化每層金屬粉末。近紅外光的圖案化是通過將光成像到光尋址光閥-OALV上實現的。

在基於(yu) 二極管的增材製造工藝中，激光由一組四個(ge) 二極管激光器陣列和脈衝(chong) 激光器組成。它通過可尋址光閥，對所需製造的3D模型的二維“切片”圖像進行圖案化。激光隨後閃爍一次打印整層金屬粉末，而不是像傳(chuan) 統的選擇性激光熔融係統一樣通過激光掃描策略來完成逐點的金屬粉末熔化。

Seurat 的區域打印技術通過將生產(chan) 力提高到任何現有金屬 3D 打印技術的極限之上，從(cong) 而增強了廣為(wei) 人知的 L-PBF 方法。它的構建速度甚至比電弧沉積還要高，但它保持了激光粉末床融合的精度和分辨率，並有可能進一步提高表麵質量和零件靈活性。

根據3D科學穀，作為(wei) 高產(chan) 量和麵向消費者的行業(ye) ，成本是汽車行業(ye) 的主要因素。例如，鑄造工藝，雖然增材製造可以將許多零件組合在一起一次完成，但鑄造幾乎可以便宜兩(liang) 個(ge) 數量級。增材製造將不得不與(yu) 過去50年來經過不斷優(you) 化的流程相競爭(zheng) ，並提供額外的價(jia) 值以取代它們(men) 。

Seurat的區域打印技術突破了現有的單件成本障礙。與(yu) 當今的增材製造技術相比，第一代係統的成本已經降低了 50%。然而，根據3D科學穀的了解，Seurat獨特的技術原理有可能進一步降低成本。Seurat未來幾代機器的目標是到 2030年製造成本贏過傳(chuan) 統壓鑄工藝，這將標誌著增材製造成為(wei) 主流技術的突破。

Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術

3D科學穀曾在《燒結變形、幾何形狀受限…間接金屬3D打印的短板正在消失》一文中Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術與(yu) 幾乎所有其他金屬3D打印工藝相比都是獨一無二的，因為(wei) 在3D打印過程中不會(hui) 產(chan) 生大量的熱量。這使得高速打印成為(wei) 可能，並避免了金屬3D打印過程中的殘餘(yu) 應力問題。Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術將熱加工過程轉移到燒結步驟，這使得更容易管理熱應力，因為(wei) 燒結溫度低於(yu) 其他類型的金屬3D打印工藝中所需的完全熔化溫度，並且熱量可以更均勻地施加。

間接金屬3D打印適用的材料範圍

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可以說以Binder Jetting為(wei) 代表的間接金屬3D打印技術是麵向批量經濟型金屬零件的打印應用市場而誕生的。

根據3D科學穀，目前汽車領域可用的合金通常是用於(yu) 鑄造或鍛造產(chan) 品的合金，而對於(yu) 3D打印來說，合金的開發則需要考慮增材製造工藝中經曆的快速加熱和冷卻速率因素。

尤其是，與(yu) PBF金屬3D打印技術不同的是，間接金屬3D打印對材料的適用性非常廣。不過，間接金屬3D打印技術本身也包含著不同類型的打印技術。Tritone Technologies的MoldJet 3D打印技術來自於(yu) 弗勞恩霍夫Fraunhofer IFAM研究所的技術授權，通過模具打印與(yu) 金屬填充打印的結合以最大化生產(chan) 力。根據3D科學穀的市場觀察，MoldJet所麵向的應用市場在3D打印技術大家族中，與(yu) 其最相近的正是Binder Jetting粘結劑噴射金屬3D打印技術。

MoldJet的工藝包括模具打印，模具填充和幹燥-逐層重複進行，直到生產(chan) 出所需的零件為(wei) 止。每個(ge) 單獨的模具層的布局都可以靈活，獨立地調整。這樣就可以生產(chan) 內(nei) 部結構和通道以及帶有90°懸垂式懸垂的零件。不過根據3D科學穀的了解製造過程並非完全自由無限製，例如需要避免完全封閉的內(nei) 部通道，否則以後就無法去除模具材料。

MoldJet的工藝除了與(yu) Binder Jetting工藝都有Jetting-材料噴射這個(ge) 過程，與(yu) Binder Jetting相區別的是，MoldJet工藝還具有Mold打印模具的過程。MoldJet工藝的兩(liang) 個(ge) 基本的工藝步驟是打印模具，使其成為(wei) 所需零件幾何形狀的框架，並用金屬漿料填充該模具。這兩(liang) 個(ge) 過程步驟彼此交替。隨後的脫脂與(yu) 燒結過程則與(yu) Binder Jetting技術所對應的後處理過程類似。

Aurora labs的MCP多點同時熔化金屬3D打印技術

澳大利亞(ya) 金屬3D打印機製造商Aurora Labs經過多年的開發，推出了將速度與(yu) 精度結合的MCP多點同時熔化金屬3D打印技術。Aurora Labs的RMP1 Beta打印機的打印床尺寸為(wei) 450 mm x 400 mm，通過Multi Concurrent Printing（MCP）多點同時熔化金屬3D打印技術，比以前的測試機器顯著提高速度。

Aurora優(you) 先考慮優(you) 化速度提升和打印質量，這是Aurora戰略的關(guan) 鍵支柱，Aurora Labs還與(yu) 巨型工程和采礦服務集團Worley Parsons達成協議，成立合並的3D打印和谘詢合資企業(ye) ，名為(wei) AdditiveNow。AdditiveNow提供的服務包括協助客戶增加製造計劃和進行優(you) 化研究，提高可操作性和可製造性以提升效率。合資公司將為(wei) 客戶提供增材製造相關(guan) 的工程服務，如零件設計，定製金屬3D打印，零件優(you) 化和零件認證服務。

當然效率的提升並不意味著3D打印就可以無縫切入到汽車零件大批量生產(chan) 的軌道上，除了製造效益的提升，3D打印邁向汽車產(chan) 業(ye) 化的過程中還存在一係列的難題，其中包括：通過信息管理係統來管理增材製造數據流；工藝可重複性、零件到零件的可重複性；成熟的認證和質量檢測方法。

汽車行業(ye) 對於(yu) 標準的需求是3D打印技術所麵臨(lin) 的另外一個(ge) 挑戰，隨著針對增材製造的標準開始浮出水麵。這些標準本身還需要獲得在整個(ge) 行業(ye) 中集體(ti) 發展，因為(wei) 拿通用汽車來說，每年需要數以億(yi) 計的部件，每個(ge) 機器製造商都有其獨特的粉末是不可持續的 – 汽車行業(ye) 的要求不允許這樣做。而更何況粉末標準僅(jin) 僅(jin) 是冰山一角，3D打印行業(ye) 的廠家需要協調起來站在行業(ye) 發展的角度看待如何可以共同支持增材製造的發展，並打破所有重要的障礙。

不過無論如何，從(cong) 行業(ye) 發展的角度來看，新的3D打印技術的出現，新的製造效益標杆的設立，對於(yu) 催生整個(ge) 行業(ye) 出現更多的創新起到了積極的作用，而無論是哪一種技術拔得頭籌，對於(yu) 3D打印在製造領域發生深刻影響來說，都具積極意義(yi) 。