近20年来，增材制造技术取得了快速发展，在消费电子、汽车、航空航天、医疗健康等领域广泛应用。在汽车产业领域，从3D打印模型到定制化小规模生产运行，3D打印技术主要应用在整车OEM公司的生产设计上。3D打印技术在汽车领域是否还有更广阔的发展空间？需要我们来进一步“挖一挖”。

3D打印在设计领域应用广泛
汽车制造是金属3D打印技术重要的应用领域。运用3D打印技术，汽车设计师可以快速制造原型，加快新车研发效率；小批量零件生产，则可以缩短供应链并节省成本，3D打印可谓是汽车行业重要的补充技术。除此之外，3D打印所特有的复杂零件制造优势，更可以简化汽车零件数量、降低重量，并节省材料。
在设计方面，利用3D打印技术，设计师可以在数小时或数天内制作出概念模型，由于3D打印的快速成型特性，汽车厂商可以应用于汽车外形设计的研发。相较传统的手工制作油泥模型，3D打印能更精确地将3D设计图转换成实物，而且时间更短，提高汽车设计层面的生产效率。目前许多厂商已经在设计方面开始利用3D打印技术，比如宝马、奔驰设计中心。
在材料方面，3D打印允许多样的材料选择。不同的机械性能以及精准的功能性原型制作，让制造商在前期可以随时修正错误并完善设计，使得错误成本最小化。
在工装夹具方面，3D打印技术提供了一种快速准确的方法，大幅降低了工具生产的成本和时间。因而，汽车制造商迅速在产能、效率和质量上都得到提升。针对生产工具，例如水溶型内芯、碳纤维包裹、注塑成型等3D打印的应用，可以帮助企业实现快速小批量工具定制、降低成本并缩短产品上市时间。
特别是在汽车零部件设计生产过程中，借助3D打印技术，厂商能够实现小批量定制部件和生产自动化，并且可以实现有机形状、中空和负拉伸等复杂几何形状的创建和制造。3D打印能够快速制作造型复杂的零部件，且当测试出现问题时，修改3D文件重新打印即可再次测试。
知名市场咨询机构Frost & Sullivan最近发布的一份相关调查报告显示，随着3D打印技术在汽车工业中的应用迅速增加，预测汽车3D打印的市场规模有望于2025年达到43亿美元。
 
实战！它们如何驾驭3D打印
汽车行业是3D打印技术最早的应用领域之一，近年来，许多前沿汽车制造企业已经将3D打印技术应用于汽车研发过程。
早在2005年，一汽-大众便引进了FDM、SLA和SLS 3D三种主流打印技术。从最早的3D Systems iPro8000 SLA光敏树脂设备，到后来的Stratasys FDM Fotus 450以及湖南华曙的SS402P SLS设备，一汽-大众将其应用于所有新车研发中，制作3D打印原型件、展示件、试验零件等，如今每年3D打印汽车零部件达5000件左右。
据一汽-大众高级工程师吴宏涛介绍，与传统注塑工艺及其他3D打印技术相比起来，采用SLS技术制作的样件具有良好的强度和优异的抗冲击性能，并且可以快速、便捷地修改设计方案并反复大量迭代，在确保原型产品设计质量的同时，大大缩短了产品设计和原型开发所需的时间，提高了研发效率。
英国知名工业设计工作室Vital Auto，曾服务于沃尔沃、日产、莲花、迈凯伦、吉利、TATA等汽车制造商。以车型设计为例，之前其为客户设计及制作一款汽车油泥模型，一般采用手工粘土和铣削零件等传统工艺，需要5-30人的团队历经3-12个月的时间、十几次修改重塑。
为此，Vital Auto 3D 打印部门引入多台Formlabs的打印机。3D打印机的快速修改及全天候运营，不仅提高了设计工作室的工作效率，更降低了成本，同时还为客户提供了多样化的设计创意。
美国汽车巨头通用汽车认为，3D打印领域具有巨大的应用价值，应该加紧利用。目前通用汽车主要将3D技术应用在工厂模具和固定装置生产上。据介绍，通用汽车已经很好地掌握了3D打印作为原型设计工具的能力，许多部件都是在各种测试环境中用于预生产车辆的功能模型。
据悉，通用汽车已经成功解决了早期工具成本费用昂贵以及零件快速迭代的问题。在雪佛兰克尔维特的制动冷却管道开发过程中，该公司利用增材制造技术将时间缩短了9周，成本降低60%。
除了上述公司外，福特、宝马、兰博基尼、保时捷、本田、克莱斯勒、奔驰、奥迪等几乎所有的整车厂都在持续探索3D打印带来的无限可能。

另一个未来：3D打印电动机
虽然3D打印技术在汽车行业设计领域具有较大优势，但该技术到目前为止并未在汽车批量化制造领域得到广泛应用。这是因为，汽车生产需要高度的自动化、高效率、低成本、质量一致性，这似乎与3D打印当前的发展水平存在不少“鸿沟”。
业内人士分析指出，目前3D打印技术在汽车领域主要面对的瓶颈包括多个方面。
一是受限于机器尺寸，粉末床金属熔融技术当前普遍限制在400毫米或者在600毫米，很难打印大的零部件；二是在准确性方面，增材制造需要能够以最小的后处理需求来创建精确的零件；三是效率问题：目前增材制造对于汽车生产来说仍太慢，冲压机每六秒钟可生产一个零件，而粉末床金属熔融技术则需要几个小时才能生产一批小零件；四是成本问题：作为高产量、高质量产业，汽车对生产制造成本要求较高，虽然增材制造可以将许多零件组合在一起一次完成，但铸造相较增材制造几乎可以便宜两个数量级。
3D打印技术如何在汽车领域进一步突破？3D打印电动机可能是个不错的选择。
业内人士指出，在全球“净零”目标下，扩大高效节能电动机绿色供给、拓展高效节能电动机产业链、加快高效节能电动机推广应用，以及推进电动机系统智能化、数字化提升，将是“十四五”时期重点工作，其中电动机能效提升将是大势所趋，而3D打印电动机极有可能成为3D打印在汽车产业中的重要应用技术。
无论是在工业领域还是交通领域，未来的驱动任务都对各个组件提出了很高的要求。一方面基于传统的制造工艺，优化的几何形状通常是不可能的，结果是设计者只能在性能和效率上痛苦折衷，某种意义上电动机的经典制造工艺已经达到了极限。
另一方面，随着增材制造技术日趋成熟，尽管目前与传统生产方法相比速度较慢且可靠性较低，但增材制造系统在生产具有非常规拓扑优化（TO-Topology Optimization) 结构或小批量零件时会大放异彩，这为电动机的制造开辟了另外一条曲径通幽之路。
当前，世界上的电动机研发团队已将大量精力转移到将增材制造系统集成于电动机生产周期中，以实施更强大、更高效地拓扑优化下一代电动机。3D打印电动机似乎只是时间问题，预测在未来几年内，原型拓扑优化电动机组件的3D打印将急剧增加，最有可能集中在3D打印电动机绕组、热交换器和同步转子上。
当然，随着技术、材料以及打印速度的进一步突破，在不久的将来3D打印或许可以在汽车汽车领域大有所谓。我国作为世界上最大的汽车产销国之一，3D打印技术在我国汽车制造领域的实际应用将是不可逆的趋势，而业内对于3D打印技术在汽车领域的探讨也将不断深入下去。
2023年9月12-14日，亚洲3D打印、增材制造展览会（TCT亚洲展）将在上海国家会展中心举办。以“应用驱动变革”为主题的TCT亚洲峰会也将同期举行。在交通与工业论坛中，主办方将邀请业内专家分享3D打印在汽车设计、生产、维修等方面的应用实例，包括如何利用3D打印技术简化工装夹具的制造流程、提高制造效率、降低成本等方面的经验。对3D打印技术充满期待的业内人士，不可错过。
注：本文首发于《汽车纵横》杂志2023年7月刊