汽車領(lǐng)域：聚合物增材制造VS金屬增材制造，誰更勝一籌？

導(dǎo)讀：隨著工藝變得更快、更具成本效益，汽車行業(yè)將成為增材制造技術(shù)的下一個(gè)主要增長領(lǐng)域。如今，增材制造足以支持汽車行業(yè)的更高需求，包括豪華汽車（已在一定程度上采用金屬增材制造進(jìn)行生產(chǎn)的細(xì)分市場）和賽車運(yùn)動(dòng)（現(xiàn)已廣泛采用增材制造實(shí)現(xiàn)定制化）。那么聚合物增材制造和金屬增材制造在汽車領(lǐng)域誰更勝一籌？



聚合物增材制造在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用

自 20 世紀(jì) 80 年代末第一個(gè)增材制造技術(shù)出現(xiàn)以來，汽車增材制造（以快速原型制造的形式）一直是汽車行業(yè)發(fā)展的核心之一。通用汽車公司是最早一批安裝并使用 3D 打印機(jī)（3D Systems 的 SLA-1）的公司之一。此后，增材制造進(jìn)入了汽車工業(yè)的新領(lǐng)域，例如賽車運(yùn)動(dòng)和豪華限量版汽車，開辟了汽車行業(yè)的新領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制的可能性。

●汽車增材制造的下一個(gè)也是最后一個(gè)階段是增材制造從根本上改變供應(yīng)鏈和生產(chǎn)動(dòng)態(tài)，成為工具標(biāo)準(zhǔn)并為備件和報(bào)廢管理提供新的可能。
●汽車增材制造最終目標(biāo)是使用增材制造技術(shù)，使汽車零部件的批量生產(chǎn)數(shù)字化和進(jìn)一步自動(dòng)化，并在車輛大規(guī)模定制方面提供一些機(jī)會(huì)。

特別是，電動(dòng)汽車 (EV) 和氫動(dòng)力發(fā)展將受益于并進(jìn)一步推動(dòng)增材制造的采用。首先，由于需要大規(guī)模原型設(shè)計(jì)來快速開發(fā)基于新推進(jìn)范例的下一代車輛。其次，重量優(yōu)化和集成組件是成為車輛延長行駛里程和降低能耗的關(guān)鍵要求。





△Airtech 通過使用由 Airtech 的 Dahltram 打印樹脂制造的 3D 打印模具以及 Print-Tech 內(nèi)部 3D 打印服務(wù)，為保時(shí)捷賽車提供空氣動(dòng)力學(xué)增強(qiáng)功能，從而協(xié)助 BBi Autosport 的車輛制造。

由于汽車是最早轉(zhuǎn)向增材制造進(jìn)行批量生產(chǎn)的主要行業(yè)之一，這種范式轉(zhuǎn)變對(duì)于增材制造和全球制造業(yè)都具有極其重大的影響，可以擴(kuò)展到與零部件生產(chǎn)相關(guān)的所有行業(yè)，從原材料到全球制造業(yè)。鑒于全球汽車市場的龐大規(guī)模，汽車增材制造技術(shù)的發(fā)展?jié)摿�巨大。隨著熱粉床熔融（MJF、HSS、SAF）和高速光聚合（DLS、cDLM 等）等高通量增材制造技術(shù)的不斷成熟，人們會(huì)看到聚合物增材制造應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展。

汽車領(lǐng)域及其子領(lǐng)域的生產(chǎn)要求是獨(dú)特的，除了其不斷變化的趨勢（需求、法規(guī)、規(guī)模經(jīng)濟(jì)）之外，還有基本特征（高生產(chǎn)率要求、較低的材料成本、高自動(dòng)化生產(chǎn)、地緣政治局勢、供應(yīng)鏈動(dòng)態(tài)）和宏觀趨勢（推進(jìn)系統(tǒng)、大規(guī)模定制、智能移動(dòng)、互聯(lián)互通和數(shù)字化）。

雖然大多數(shù)汽車制造商已經(jīng)制定了在大眾市場汽車制造中實(shí)施增材制造的戰(zhàn)略，并且增材制造硬件制造商熱切地等待著他們這樣做，但在不久的將來，大多數(shù)增材制造將繼續(xù)在更具體和有針對(duì)性的領(lǐng)域?qū)嵤�，從越來越多的大量用于賽車運(yùn)動(dòng)（F1、納斯卡、小型比賽和研究比賽）或一次性車輛擴(kuò)產(chǎn)到大眾市場汽車領(lǐng)域，包括公共汽車、卡車等商用車。

金屬增材制造在汽車行業(yè)的應(yīng)用

現(xiàn)如今，大眾市場汽車金屬零件的 3D 打印仍然遙不可及，這需要金屬增材制造生產(chǎn)力的重大范式轉(zhuǎn)變，金屬3D打印技術(shù)尚未在商業(yè)層面得到充分部署。而同時(shí)，一些金屬 PBF（AddUp、SLM Solutions、EOS、Velo3D）技術(shù)日益發(fā)展，并用于汽車和輪胎行業(yè)的模具生產(chǎn)中。

金屬3D打印在汽車行業(yè)發(fā)揮著多方面的作用：
●原型設(shè)計(jì)和概念車的關(guān)鍵工具，促進(jìn)設(shè)計(jì)的快速迭代和新概念的功能測試，最終加快開發(fā)過程。
●使汽車制造商能夠根據(jù)特定車型和個(gè)人客戶喜好制作定制組件，包括發(fā)動(dòng)機(jī)零件、排氣系統(tǒng)甚至個(gè)性化的內(nèi)飾功能。

超級(jí)跑車生產(chǎn)（以及最終大規(guī)模生產(chǎn)）中金屬增材制造最著名的例子來自 Divergent。近十年前，Divergent首創(chuàng)了一種最大限度地利用激光金屬 PBF 的生產(chǎn)方法，現(xiàn)在稱為發(fā)散自適應(yīng)生產(chǎn)系統(tǒng) (DAPS)，包括一組專門設(shè)計(jì)的工具、流程和程序，能夠確保 DAPS 滿足所有國際標(biāo)準(zhǔn)和客戶要求。此工藝已獲得 ISO、AS 和 IATF 認(rèn)證，證明了該工藝的穩(wěn)健性和環(huán)境可持續(xù)性（目前通用原子公司正在無人機(jī)生產(chǎn)中實(shí)施）。


△Czinger C21 汽車內(nèi)的 3D 打印變速箱由 Divergent 使用 DAPS 技術(shù)開發(fā)和生產(chǎn)。，Czinger C21 采用 3D 打印底盤和“功率密度最高”的 3D 打印 ICE 發(fā)動(dòng)機(jī)。

金屬 3D 打印可以生產(chǎn)輕質(zhì)但堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)元件，有助于減輕車輛整體重量。這可以提高燃油效率并增強(qiáng)性能，通過提高充電之間的行駛里程能力，為電動(dòng)汽車時(shí)代帶來關(guān)鍵優(yōu)勢。使用金屬增材制造工藝的電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)了一些不同的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，包括保時(shí)捷和 SLM Solutions 的發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱上的 3D 打印電動(dòng)驅(qū)動(dòng)外殼，這些都表明了增材制造也適用于電動(dòng)跑車中較大且高應(yīng)力的部件。德國初創(chuàng)公司 Additive Drives 開發(fā)了用于電動(dòng)機(jī)的高效銅 3D 打印繞組（用于原型制作），目前正在開發(fā)全 3D 打印電動(dòng)機(jī)。

金屬 3D 打印可以創(chuàng)建復(fù)雜且難以實(shí)現(xiàn)的幾何形狀，特別有利于熱交換器和冷卻系統(tǒng)等組件。此外，它還可以生產(chǎn)渦輪增壓器和懸架部件等高性能零件，從而提高車輛的速度、操控性和整體能力。除了零部件生產(chǎn)外，金屬增材制造還通過制造工裝、模具和夾具來簡化制造流程，有效降低生產(chǎn)成本和交貨時(shí)間。


△Azoth 在通用汽車生產(chǎn)的車輛上使用粘合劑噴射技術(shù)制造了第一個(gè)金屬 3D 打印零件。

一個(gè)特別令人興奮的領(lǐng)域是經(jīng)典和老式汽車，當(dāng)所有原始生產(chǎn)工具早已丟失時(shí)，金屬 3D 打印與通過 3D 掃描進(jìn)行的逆向工程相結(jié)合，可以帶回稀有或過時(shí)的零件，從而延長這些汽車的使用壽命。此技術(shù)的優(yōu)勢還延伸到輕質(zhì)高效的制動(dòng)系統(tǒng)、優(yōu)化的排氣系統(tǒng)及其在要求苛刻的賽車運(yùn)動(dòng)行業(yè)中的廣泛應(yīng)用，一級(jí)方程式賽車現(xiàn)在對(duì)其車隊(duì)采用增材制造技術(shù)更加開放，不僅用于開發(fā)，還用于最終用途零件。最終，金屬增材制造將通過實(shí)現(xiàn)本地化零件生產(chǎn)、減少對(duì)大量庫存和長途運(yùn)輸?shù)囊蕾嚕�不斷提高汽車供�?yīng)鏈的效率。為了確保車輛安全，它允許定制安全關(guān)鍵部件，例如防滾架加強(qiáng)件和沖擊吸收結(jié)構(gòu)，從而提高車輛的整體安全性。


△汽車領(lǐng)域聚合物增材制造和金屬增材制造的硬件、材料和服務(wù)總收入(2023-2033 年預(yù)測)

汽車領(lǐng)域聚合物增材制造和金屬增材制造分析

VoxelMatters Research預(yù)測，到2033年底，汽車領(lǐng)域的金屬增材制造收入將增長至41%，而聚合物增材制造收入份額將下降10個(gè)百分點(diǎn)，占剩余的59%。聚合物增材制造的收入將從2023年的8.5億美元增至2033年的79億美元，復(fù)合年增長率為25%，而金屬增材制造的收入將從2023年的3.76億美元增至54億美元，復(fù)合年增長率為30.5%。


△汽車領(lǐng)域聚合物增材制造和金屬增材制造的硬件收入(2023-2033 年預(yù)測)

2023 年，增材制造硬件在汽車領(lǐng)域的收入為 5.52 億美元，同比增長 20.8%；到 2033 年，這一數(shù)字將增至 60 億美元，復(fù)合年增長率為 27%。如今，聚合物增材制造硬件約占汽車增材制造硬件銷售額的三分之二 (65%)，而金屬增材制造硬件則占 35%。十年后，預(yù)計(jì)聚合物增材制造硬件的百分比將達(dá)到 57%，金屬增材制造硬件的百分比將達(dá)到 43%。


△汽車領(lǐng)域聚合物增材制造和金屬增材制造的材料收入（2023-2033 年預(yù)測）

調(diào)查研究預(yù)計(jì)汽車領(lǐng)域增材制造材料的收入將從 2023 年底的約 1.6 億美元增長到 2033 年底的 18 億美元以上。雖然金屬僅占所有材料收入的 30% 左右，但到 2023 年，將在汽車增材制造領(lǐng)域占到所有材料收入的 50%，之后將繼續(xù)擴(kuò)大其在聚合物材料方面的市場份額。

這表明金屬將變得越來越重要，因?yàn)榻饘僭霾闹圃煊布�將提高其生產(chǎn)高價(jià)值零件的生產(chǎn)率，在大規(guī)模制造應(yīng)用中也是如此，因?yàn)榭梢酝ㄟ^減少子組件和提高零件性能來創(chuàng)造更大的價(jià)值。與此同時(shí)，隨著聚合物增材制造技術(shù)變得更加高效并適合汽車零部件的大規(guī)模生產(chǎn)，聚合物增材制造材料價(jià)格將大幅下降，以便與注塑成型應(yīng)用充分競爭，即使是在價(jià)格較低的零部件上。


△汽車領(lǐng)域聚合物增材制造和金屬增材制造的增材制造服務(wù)機(jī)構(gòu)的零部件產(chǎn)品收入(2023-2033 年預(yù)測）

增材制造服務(wù)機(jī)構(gòu)的零部件產(chǎn)品年收入預(yù)計(jì)將從 2023 年底的 5.16 億美元增至 2023 年底的 54 億美元，復(fù)合年增長率為 26.4%。盡管金屬材料的收入要高得多，但 2023 年和 2033 年收入的最大份額來自聚合物增材制造零件。

有幾個(gè)因素影響著這一趨勢。首先，該數(shù)據(jù)僅指增材制造服務(wù)（而材料數(shù)據(jù)指所有材料需求，包括所有垂直汽車增材制造最終用戶，例如原始設(shè)備制造商和一級(jí)、二級(jí)供應(yīng)商）。雖然聚合物增材制造服務(wù)可能會(huì)成為許多最終用戶的流行外包解決方案，但有一部分人偏向在內(nèi)部進(jìn)行金屬增材制造活動(dòng)，以便更好地控制可能會(huì)出現(xiàn)問題的零件的流程。

另一個(gè)需要考慮的因素是，雖然隨著產(chǎn)量和采用量的增加，聚合物材料的價(jià)格將大幅下降，但聚合物 3D 打印應(yīng)用的價(jià)值仍將保持相當(dāng)高的水平。另一方面，金屬增材制造材料的高價(jià)格可能會(huì)限制整體生產(chǎn)力，從而限制增材制造服務(wù)提供商產(chǎn)生的總收入。