批量生产的增材制造零件在汽车工业中已有出现，比如宝马i8Roadster跑车中的车顶铝制支架，这是3D打印金属零件应用于量产汽车的首个案例。为了提高传统燃油汽车的燃油效率和电动汽车的续航能力，汽车零部件的轻量化趋势已经非常明显了，用3D打印技术代替传统的制造工艺，把零件结构做进一步优化，这是目前受到制造商青睐的轻量化设计理念。

布加迪Chiron跑车中的3D打印钛合金制动钳。布加迪原来是一家法国公司，如今是德国大众汽车集团旗下的豪华汽车品牌。图片中的制动钳原先是用铝合金锻造而成的。Ti6AI4V3D打印版本的零件较之前的版本重量减轻了约40%，而且相当坚固。在该零件上施加125kg/mm2的力，材料也不会出现裂纹。当Chiron跑车以每小时400公里的最高速度行驶时，制动系统会在9秒钟内让车辆停下来。该零件重量为2.9kg，使用SLMSolutions公司出品的四激光头500型打印机生产，耗时约为45小时。（图片来源：布加迪公司）

轻量化趋势

nTopology公司的首席应用工程师JonathanHarris强调了轻量化设计对汽车工业发展所起的关键作用。“更好的性能、更优的燃油经济性、更高的安全性、更低的排放量，以及它们之间的综合耦合效应，正激励汽车制造商将轻量化设计推向新的高度。”

nTopology是一家来自纽约的软件开发商，该公司推出了一款轻量化设计软件工具包，工具包中集成了多种最新的CAD技术，包括零件合并、保形肋板结构生成、晶格结构生成、拓扑优化，设计人员可以利用这些工具进一步减轻零件重量。通过拓扑优化技术，可以将载荷均匀分布到整个零件上，从而把所需的材料量降至最低。通过这种设计技术创建的零件，会呈现出不同寻常的、类似于有机体的结构样貌。

传统制造工艺面对复杂形状零部件的生产制造常常力不从心，这就给3D打印技术发挥优势提供了机会。

“增材制造技术让设计工程师在零件结构的把握上，获得了更大的主动权和自由度，也就是说只要是能在计算机上创建出结构，都能得到3D打印的实物，设计师再也不需要考虑零件的铸造工艺性是不是好，能不能在五轴机床上加工出来了。”Harris说道。

轻量化设计为供应链助力

为了达到燃油经济性标准、实现可持续发展目标，零件的轻量化设计往往比重新开发电机或电池更可行，SLMSolutions公司的首席现场应用工程师KyleAdams表示。

Adams指出，经过轻量化设计后，除了整车重量减轻外，单个零件从生产地到组装地的运输成本也降低了。

“通过将四个或五个零件合并成一个零件，可以使供应链更加紧凑，原因在于无需将五个或六个来源不同的零件运送到同一处工厂，再组装成一个组件，”Adams说道，“这意味着一次运输的零件数量变多了，或者说，如果每次运输的零件数量相同的话，货车的载重变轻了。”

增材制造的劣势

尽管优势明显，但增材制造的金属零件距离在汽车工业中的大范围普及和应用，还有很长的路要走。增材制造工艺过程过于耗时并且费用昂贵，并不能适应大规模工业生产的需求。

“3D打印零件的成本取决于其制造速度，”Adams说道，“比如对于丰田公司来说，每年要完成的凯美瑞（Camry）汽车的产量为50,000台，目前市面上任何3D打印设备，在面对这一数字时都无能为力。因此尽管3D打印在轻量化零件的制造方面优势明显，但是生产效率的瓶颈不打破，它的普及就是一纸空谈。”

另一个受限因素在于零件的尺寸。Adams表示：“车辆上大多数可以用3D打印出来的零件尺寸都很小，比如安全带支架，对于这些小尺寸零件，轻量化设计的优势其实并不明显。”

轻量化优势明显的零件，也就是最适合用3D打印技术生产的零件，包括车轮、制动器和悬架组件。Adams指出：“由于汽车的驱动力直接作用于车轮，因此即使只减轻几克的车轮重量，效果可能比减轻几磅的车身重量还要好。”

但是，市场上能制造此类大型零件的3D打印设备往往少之又少，即使找到了合适的设备，打印所花费时长也让人望而却步。相信随着增材制造技术的发展，更大型、功能更强的3D打印设备会不断涌现，到时会有越来越多的汽车制造商，选择以3D打印的方式生产全尺寸金属零件，并从中获益。

2010年，宝马集团首次使用了3D打印技术来制造塑料和金属汽车零件。2018年，宝马集团第一次将3D打印的金属零件用于量产的i8Roadster跑车中。该零件是一个铝合金支架，其作用是将车顶篷机构连接到车体上，制造工艺为选择性激光熔化（SLM）。3D打印的零件比之前的设计重量减轻了44%。批量生产的第二个3D打印零件是下方照片中的窗户导轨。（图片来源：宝马汽车集团）

“采用大型、快速的3D打印设备，目前零件的制造时间为1~2天，零件的重量可减少30%。相应地，它的综合性能会提高30%，可以说减轻重量就等同于获得价值。”Adams解释道。

影响增材制造在汽车工业中的普及程度的另一个因素是，需要对3D打印零件进行验证。

图片中的3D打印的转向节长约600mm，是在SLM500型金属3D打印机上制造出来的。它的制造者为德西福格汽车零部件集团，该公司表示与传统的锻造零件相比，3D打印的零件重量减轻了40%，制造时间约为55小时。（图片来源：德西福格汽车零部件集团）

“汽车制造商每天要重复生产成百上千辆汽车和卡车，并且实际生产中的各个可变参数都与每一辆汽车的安全系数直接关联的。”北美Spee3D公司的密歇根州BentonHarbor区域副总裁兼总经理BruceColter说道。

“通过计算机生成设计技术，会激发出许多新的轻量化的想法，经过轻量化优化的零件通常只能通过增材制造的方法生产出来，”Colter说道，“但是，这些零件在实际生产中的可重复性常常存疑，并且其在使用阶段的安全系数也很难通过生产参数来界定。”

nTopology公司的首席应用工程师JonathanHarris随后表示：“如果您购买了用于制造支架的金属块，然后对其进行加工，金属的刚性和抗压特性并不会发生改变。但是，增材制造的工艺方法是在加工金属件的同时制造支架成品，因此，金属材料本身的特性就很难在成品出品之前被表征出来。”

“汽车制造商是无法接受将一个不确定的零件装到汽车上的，因为一次召回事件会导致数百万美元的损失，并且会直接影响消费者对品牌的信任度，这会给公司造成更大的损失，”Harris说道。

增材制造在汽车工业的未来

汽车技术的最高水准无疑体现在赛车和限量版概念车上。之后，这些先进的技术将逐步渗透到大众消费的汽车市场中。

“金属增材制造和轻量化设计，无疑是属于第一梯队的汽车技术，”Adams说道，“高端汽车供应商已经开始应用这些技术了，谁能预测五到十年之后，这些技术不会被推广到每一辆汽车中？”

他补充道，尽管3D打印设备本身不便宜，但随着打印的速度越来越快，3D打印零件的成本肯定会越来越低。

“在两三年内，增材制造设备将会具备大批量生产小型零件的能力，之后在很短的时间内，也会具备生产大型零件的能力。无论是转向支架还是提增效阀门，相信那时每辆车上都或多或少会装有3D打印而成的零件。”Adams说道。