为什么目前金属打印在汽车行业很难突破研发阶段走向生产?

使用打印直接制造汽车零件面临哪些挑战?

新能源汽车能否破局?

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5月19日下午2点半，霍尔榜增材制造公益项目线上直播，GF加工方案产品经理李智为我们带来了打印涡轮增压器完整解决方案解剖，视角触及市场端、设计端、工艺端、打印端、后处理端、展望端 ..

我相信增材制造的同仁都有一个感触：大家很少讲汽车，不是大家水平的问题，而是打印在汽车行业的应用实在太少，从而导致大家手头的资源有限。汽车行业在非金属的应用还是比较多的，比如在研发阶段，做一些外观的设计，或者做一些验证。今天我们专注在金属打印在汽车行业的应用上，大家听我聊能知道汽车行业现在在做什么？未来想做什么？现在打印技术是不是在汽车行业完全没有应用？还是说有一些应用？将来会是什么样的？我希望大家能有这么一个方向的认识。

为什么汽车行业要使用金属打印的技术制造？那我们看到有四点。第一点，了解新技术。真正接触过汽车客户你会发现，不管我们讲BBA还是国内一些大厂，你去的时候会发现客户会跟你讲一个事，就是说集团现在要求我们必须了解金属打印，你用不用是一个方面，你必须得懂这个技术，为什么？这其实是汽车厂竞争很激烈的一种表现，大家都不想被一种新技术革命了。

我觉得不管出于防御的政策也好，还是说一种前瞻的了解也好。很多汽车厂内部其实都是有要求的，这也给很多汽车行业的从业者造成了一种很大的困难，这个东西搞来之后可能真用不上，我真不知道怎么用。但是经过了几年的探索，我们会发现现在中国比较成熟的应用，在研发方面，金属打印已经用的比较多了。在研发阶段，我们现在看到最多的就是缩短研发周期。第一个汽车行业用的最多的件就是钣金冲压件，包括我们看到一些门板，一些后尾门，以及外观的一些车门都是用冲压做出来的，但是这里面没有应用打印，为什么？因为大尺寸的打印成本比较高，但是这几年我们看到成本往下降了。

我们现在看到一些原始的应用都是一些小件。比如这个钣金冲压件，它是一个冲压形成的件，那研发阶段为什么要打印做冲压件呢，首先你要了解客户是怎么做冲压件研发的，首先他要开一个模，大概二三万，可能还有更贵的，跟模具大小有关系，之后去冲压成型，冲压成型回来之后他要试。当然塑料机能解决一部分的问题，比如尺寸的问题。我现在设计一个尺寸，塑料件比划比划这是可以的，螺丝孔对不对呀，件能不能装上呀，装上之后有没有什么东西呀。但是塑料件没有强度，但是现在塑料机也有碳纤维什么的。客户的验证还是想用金属件验证，验证之后他发现不合适或者强度有问题他要重新设计，重新设计怎么办？又回去又开模，这期间又要二三万块钱，又是两三周，不仅浪费钱，还浪费时间。我们在汽车行业有一个统计，平均一个件真正从研发走到生产大概要开六到八次的模，六到八次的话除了验证的时间，光开模可能就要二十几周没有了。包括一些验证的阶段，时间周期会更长，我相信大家在汽车行业都深有体会。

用打印虽然看起来效率低，打一个件可能18个小时16个小时，但快和慢是相对的，我们看跟谁比。跟开模比起来，它不仅效率更高，而且灵活更强，并且有效规避了泄密的风险。随着金属打印的强度和疲劳越来越好，现在真正在验证上打印是完全符合要求的。

第二类就是讲传统难加工的一个件，我们现在看到的这个件是差速器的总成，内部是球笼，上面有一些结构的部件，这是一个公开的资料，我们可以看这个图也是一样的，变速箱的外壳，它也可以用传统的方式做，但是非常复杂，所以做起来非常耗时间。那么在研发阶段，我做的一个东西回来之后验证，如果不合适再修改，它的整个加工的成本是非常高的，那如果用打印可能尺寸精度不那么好，包括装配的东西可能还要调整，但是它可以给你快速的一个概念，马上能出一个东西也是装在实车上进行测试的，所以说这个上应用也是蛮多的。而且我们现在看到越来越多的大厂都在用这种形式来做了，比如做一些，外壳类的居多，当然还有一些较为复杂的。我们讲差速器为什么要用打印来做呀，圈套圈的东西居多，外壳类的，内部有像狮子头嘴里球一样东西，传统加工方式非常难处理的东西也会用这个来做。

我相信汽车行业的人都深有感触，我们叫NVH的玄学测试，NVH是什么东西呢？土话讲的共振吧，当然我可能讲的不够准确。那NVH有一些模拟，有设计模拟，可以计算固有频率怎么样的。但是你会发现这个东西实际生产出来跟预想的完全不一样，你好像模拟什么东西做得非常好，出来还是共振，所以我们叫它玄学测试。那玄学测试怎么验证呢？就是被动的方式，我把这个件做出来后放在共振台上振，行业内大家都认为这是一个玄学。所以说在NVH的测试上打印的件用的还是比较多的，特别是在一些大厂 ，我们可以看到他会把这个东西打出来之后装在上面现场进行一些设计的修改，最后再回来，这种东西现在比较有意思的是，模拟是解决不了的。我们不管讲差速器还是结构件，它最重要的特点就是什么呢？研发的时候批量太小了，所以你去做这个东西就很贵。

第三类就是减重，汽车行业聊很多减重，打印又适合减重。就是说，你做了一个减重件之后你要怎么装在车上？如果你是DfAM（design for additive manufacturing）的设计,就是我们讲的打印的设计，比如这个奔驰的小伙拿着AMG的悬挂系统打了些眼，做了些东西，这个设计不夸张，还有比这更夸张的。我们可以看到有个老外公司在一个整车上做了很多夸张的设计。但这里面总会遇到一个问题，你如果这么生产了，你这么设计用打印做，那你将来量产了怎么办？所以这种件永远不会出现在高尔夫上。细想就明白了，你去4S店，人家告诉你，这个高尔夫13万，这个高尔夫用了打印的悬挂16万你买哪个？显而易见。这种东西一般都会出现在一年卖不了多少台的车上，比如法拉利，比如奔驰的AMG GT，AMG GT的设计，当我花了三百万四百万去买一台车的时候，我愿意为了这个溢价去付出东西。还有这个东西一年卖不了多少辆，法拉利一年卖1000辆，打印是可以的。我们讲汽车的时候，经常有人在下面问这个东西量产的吗？你怎么理解量产，布加迪也叫量产，大众高尔夫也叫量产，我觉得要理解核心的汽车行业背后的逻辑才能理解打印现在卡在哪了！

另外一点就是能提升，我们可以看到这个东西其实是一个排气管，是赛车的F1的。在F1这种车上会出现这种件。我们目前在现有车的能提升上其实一般有几个思路，第一个我们可以看到这是法拉利的一个排气加散热，这里边这个件看起来不复杂，但是件里面涉及到打印比较核心的几个概念，其中一个就是组合打印，它是把排气的机构和散热机构整体打印在一起，不管在航空航天还是汽车行业意义重大。首先它减少了装配，其次就是能会有大幅的提升，你没有中间连接的薄弱点、脆弱点了，所以它在改善能和提高耐久上会做得比较好。奔驰的排气，我们可以看到原型车设计现在不是装车的一个件，当然它也是为了追求能来做的。现在看起来是这样，将来它肯定会把这些件都打在一起，现在原研阶段它可能会做一些拼插的一些设计。

最后一个很有意思，我觉得大家应该关注一下这个公司，这个公司叫Hieta，是一个欧洲的公司，它专门做新能源汽车的热管理方案的，这里边有一个词叫热管理，而不叫散热，这是为什么呢？因为新能源有些新的要求，它比散热更重要的是保温。在一个高寒的地区，它怎么让电池的温度不降下去。它做的所有方案基本上核心就两类，第一个用打印做散热系统，还有一个就是组合打印，它把一些可以组合的零件都跟散热的东西组合在一块了。这个公司我们可以讲它是一个很好的创新行为，就是从传统的一个很成熟的领域跳出来，因为市面上客户有了新要求，有了新的期待，所以说它在这个基础上的创新还是比较靠谱的，在国内还没看见相应的这种零配件供应商去做这种解决方案。但是我相信未来大家关注到这个领域之后，可能会往前走几步。我们现在很多讲新能源汽车，我们接触到的客户很多都是自己设计散热的，但其实他需要一些更专业的方案。因为客户可能并不太懂增材，并不一定能把这个增材百分之百的发挥，所以第三方公司在这里边起到了一个连接厂家和客户的作用，能把这个东西推到一个新的高度，这个很有意思。

我们把这四个应用，就是我们现在在国内外能看到东西简单的分一个类，从了解新技术缩短研发周期这个角度看， 打印的设计和验证用到了这个阶段，但实际生产的仍然用传统的加工方式，这种是比较符合客户的预期的，也就是说它用打印现在生产一个需要,我们叫金牛的要搞钱的一个车辆,比如我们讲某一个汽车集团，他最走量、最赚钱的车绝对不是那种五六十万的车型，而肯定是集中在十万到二十五万或三十万之间的一个车型。那更多的东西，他在这个车型的阶段，他是不会用打印去生产的，因为现在打印的这个技术，就是我们讲的技术天花板在这儿了、效率在这儿了、成本在这儿了，所以说他不太会去用这种方式去生产。

下边我们涉及到减重和能提升这一块，有些公司会用的。这里边有个特点，你只要是用了DfAM设计就回不去了，你回不了头了。你不可能用传统的东西来去加工了。因为传统的设计是适合铣床加工的，大家知道什么叫铣床加工，就是点、线、面、圆，我这刀能进去我这刀得走，或者这个东西能旋转以车床的方式来加工。但是打印的逻辑完全不一样，打印是层层堆叠的，我们可以做出很多奇怪的一些造型，你一旦设计了奇怪的造型之后传统的铣床就加工不了。我们现在认为在研发阶段和生产阶段巨大的鸿沟就在这儿，用你这种方式又贵又慢，用传统的方式有的东西又做不了。所以我们今天就把这个案例聚焦在我们怎么使用打印，直接制造一个可以安装在车身上的零件？因为我相信打印从业者厂家都比较清楚这个事， 打印做完的件到底能不能直接用在可交付车身上。厂家其实知道，但是在我们跟客户交流的过程中，我们发现客户有时候并不知道这个事，加上有些厂商化化装一渲染，就觉得这个东西好像无所不能，但根本不是这么回事儿。

我们今天把这个事说细，讲一个涡轮增压器制造的案例，这个案例很高级，是一个实实在在的，车队现在在用的，包括正在做的事儿，是我们合作的一个项目。强调一下这个东西不是量产车上的，它是F1雷诺车队一个涡轮增压器的一个案例，它比某些大学的赛车要求会更高。首先我们介绍一下这台涡轮。最左边的设计就是涡轮原始的一个形状，因为F1有要求，最大的排量不能超过1.6升，大排量的东西是不能上的，所以大家都在提升小排量上怎么做文章。虽然这个发动机是1.6升的，但其实它是一个V6的设计，为了更好的能，它是不考虑环保的。在这个基础上我们看到左边第三张图最下面就是发动机的全貌，面向我们的这个点进气的地方就是涡轮，雷诺车队发现这个涡轮如果用传统技术上已经不可能提升了，把最好的手段用上但还是提升不了，这个时候他想能不能用打印去把能再提升。提升思路就两点，第一点就是减重，我们需要用打印把重量减下来。

第二点就是控制温度散失，他希望这个涡轮一直保持在一个很高的温度下工作，不要凉下来再给它加热。这样呢在F1的世界里我们讲是不对的，不好的或是不快的。那设计方案当然相对比较复杂，这里边我们讲两点。第一点我们怎么保温？我们就做了一个双壁的一个结构，让中间充斥着空气，我不知道大家对这个东西有没有一个认知，就是羽绒服为什么保温？羽绒服湿了为什么不保温？并不是羽绒服的羽毛在保温，而是羽绒服蓬松起来之后它的空隙里面装了更多的空气，空气是一个最好的隔绝的一个保温介质。它的保温能非常的好，所以这个涡轮是设计成这样，让里面充斥着空气来保温。那双臂的结构还有另外一个好处，就是它中间是空心的重量就减下来了。另外一点我们在蓝色的部分做了晶格设计，晶格设计一个可以保证强度，还有一个它的减重效果也是比较好的。

支撑我们简单说一下，这里边我们用了两类支撑。一类就是实体支撑，为了拉住它不变形的，还有一类为防止这个圆有问题我们加了墙支撑，说白了就是排叉支撑，这里面只有1.5毫米，我们把这个东西做上去。打印模拟现在国内在这块大家并不太重视，在很多搞打印模拟软件公司的共同努力下还是不见起色。老外比较喜欢打印模拟，因为老外比较相信数据，和国内思路不一样。我还是主张相信科学，模拟总会给你帮助的。哪怕它模拟的结果并不准确，或者说模拟的东西出来之后并没有接近实际的件，但模拟总是有用的，而且它的成本很低。你打废两次可能都够买模拟软件的钱了，如果大件的情况下，小件我们不讲，所以模拟还是很必要的。

另外一个，就是在中国打印行业，基本上没有什么人应用熔池监控的，熔池监控很多厂家推了很多年，后来发现我们的客户其实并不感兴趣。我觉得有一个很大的原因就是额外增加了客户的工作量，这是有原因的，我们要正视现实。熔池分析是干啥的呢？说白了就是过程监控。我在你打印每一层的时候我都记录你熔池的温度，这样你打完之后就知道哪个地方温度可能过高了，这个地方可能出问题，这个问题甚至有一些时候在你做CT，或者你剖开、做拉伸的时候你都看不见，因为不管你的CT还是拉伸你都是瞬时的力学能，对疲劳没影响，疲劳很有可能就是这个地方有一个小问题，积累到一定程度变成大问题了，它有一个时间推移的一个过程。我觉得洋人这方面做得还是比较好的，底层逻辑我觉得可能更科学，这个件也做了熔池分析。

最后就是打印，这个材料是用In718来打印的，打印了53个小时，用了30um的层厚，这样是为了最好的去减少缺陷，打印准备时间花了3个小时。我相信很多从业者看到我们第三张图红点指的位置，会发现我们打印机跟别人不太一样，为什么呢？我们在这里边用的两个基板，就它下边本身是一个打印的基板和平台，但我上面又做了一个，为什么又要做一个呢？我们看基板背面下面有一张图的背面，它会有些定位孔和定位销，这就是为了将来加工方便的，大家可以想象一下，如果铣床上有同样跟它配套的东西它直接坐上是不是直接就有零点了，简单来说就这么个意思，原理就是这样。

那快换夹具就是为了保证什么呢？第一个我下边这个打印机端，铣床端和其它后处理端的这个夹头是不一样了，但上面托盘是一样的，这样在工艺流转的过程当中很快就会有零点了，这是一个为了加工方便去做的嵌套。现在有很多人在讨论打印到底是不是孤岛，有时候大家发现后处理加工太麻烦，做打印的人不懂机加工，懂机加工的人不太懂打印,这中间就产生了巨大鸿沟。那光有零点也不行，我们为了保证这个件不变形，这个件肯定你要送去热处理，那热处理回来这个东西变没变形，我们还要预留四个参考点是干啥的，是给机床测头就是Probe，来做参考点的，那我这个件架上之后，虽然我有零点了，但是我会用机床测头再测一遍去矫正它。那这里面就涉及到后加工了，我相信不少客户，包括从业者都知道，这个东西打完之后要去后加工，但是具体怎么后加工，其实我觉得大家并没有这个概念。

我们先从这个涡轮最基本的需求开始说起，就是支撑我怎么去？因为GF对加工还是比较了解的，我们的方案就是所有的支撑都是用铣床去的，没有人工掰的过程。我们可以看到左边这个件，首先这个面是要加工的，这是一个装配面，上面还有螺丝。打印是不太会打螺丝的，打出来之后精度不行一般都接受不了。那这个面需要加工，下面那个小的面也需要加工，我们讲的夹具刚才我们是示意图，但真正用到这个夹具的时候你会发现，它并不是一个，它是四套串起来的，为什么要串呢，串的原因很简单，就是大换小，最大的适应大的。它是一套标准的夹具，并不是特别设计的，大串小之后把这个东西串下来之后卡在上面。

那这个就是加工的一个设计，这个刀路就是加工的内壁，可以看到刀路的位置，我们加工柱面、混合面、法兰面然后攻丝，除了加工这个方向之外，我们这两个废气阀和上面内筒也都需要加工的。加工之后我会把支撑去除掉，把这个接触面加工到我们相应的尺寸精度和粗糙度。这是一个刀路模拟，做完加工之外，就是挺有意思，减材和增材都需要模拟，减材的模拟是看你的刀路会不会撞刀，你加工一下，比如你这个刀路没设计好，因为这里边有很多程序，如果你撞刀了就会比较麻烦。

那最后我们看到就是这个东西在机床上加工的一个样子，加工前就是右上的这一张图，它有一些支撑和一些面，加工之后我们可以看到这个支撑去除掉了，它的面很光亮。这里边我其实抛出了一个问题，就是我不知道大家有没有概念，打印的尺寸精度是多少？粗糙度是多少？我相信有一些人知道有一些人不太知道。我可以给大家讲一下，我们一般讲打印的粗糙度是（Ra）6.3~12.6，它是一个很粗的表现。所以很多客户来了会问我们这个东西能不能直接装配啊？我的回答一律是不能，但有些公司他讲是能的，但我们讲就是不能，肯定是不满足要求的这是第一个。还有一个尺寸精度是多少？我们看到很多招标上写±50um尺寸精度，这是胡扯，谁家都达不到±50um。这个描述就不科学，它肯定是跟件大小有关系的，±50um其实是它收缩的一个极限，就是你不同的材料。有的人讲25um的也有，就你打印完之后,因为它是个热处理过程，它收缩了25um，而不是说它真正的尺寸精度是25um，前面你要加上0.1%，这个东西是跟你大小有关系的，但真正做件你会发现尺寸精度和粗糙度都是要后加工的，不然一定是满足不了要求的，当然还有螺纹。

当我们加工完这个件之后，大家可以看到我们右下角这个图，它其实还有一些支撑是没有去除掉的，为什么？因为机床的限制它转不到一定的角度了，这个角度它是没法再进行加工的。所以只要加工这个件，我们还要进行二次加工。这是一台线割机，我们用线割机把这个件从上面割下来，这两张图，大家可以看到这个是涡轮的背面，这个是我们说其中的一面A面，我们这里面放的是B面，我们可以看到B面其实它要加工的地有很多，除了支撑之外，他还有背面的法兰盘和背面的进气的阀门也要加工，到这个时候我们加工不到怎么办呢？这里边我们就涉及到了一个定制的夹具，我们定制的一个东西把这个涡轮撑开把这个涡轮撑住，我们可以看到我们加工完A面了，我们把A面切下来套在这个上去加工B面，那这个就是一个加工的样子。这一套加工我们是用五轴的方式来加工的，第一个比较快，另外一个它对复杂的曲面加工能力是可以的。

最后涡轮加工完之后，还要做一个叶轮，叶轮我们是用铣床直接铣出来的。当然你也可以用打印做，但是如果你用打印做出来之后，某些部分还是要铣的。比如这个轮尖上装配的这个点，这个点如果你不铣还是达不到要求的，所以我们直接用一个五轴的加工中心铣出来。这里面除了复杂的设计之外，我们看用到的刀具其实也不少的，用到了大概两把钻孔的，四把是用于加工的刀具。

我们打印的一个涡轮,到最终成品件的交付，其实我们工程工艺总结的我们说到这一步。首先第一步是打印，打印里边有很多工作要做。支撑、设计、模拟什么的，这个工艺路线大家比较熟悉了。打印完之后做什么呢？我们会做两次的机加工，做完两次机加工之后，再做一次叶轮加工，最后才是装配。我们不是要给大家讲GF后加工能力有多强，我们不想传递这样一个概念，而是说在一个工程实例和工程实践当中，假如你是汽车厂的一个设计人员，当老板要求你去打一个件出来的时候，你要知道它其实是有这么多步骤的。现在我们发现其实有很多人是不知道的，还是这个问题，懂打印的人可能不太懂加工，懂加工的人不太懂打印，所以大家的信息都不对称。我们介绍这个案例的目的就是说什么呢，真正你要做一些可用的件的时候，它的每一个工序都不能少，这里面每一个步骤都不是废步的。我们把给人家做的工程案列摘出来，把所有的细节给大家展示一下，就是想给大家来讲一下打印现在到底是个啥水平？能不能说独立的撑起一摊来，独立的去做一些件用在汽车航空航天上，大概就是这么一个核心的逻辑。

最后我们做一个小的总结。首先第一个，我觉得不管从业者也好，客户也好，大家要充分了解打印的劣势，我觉得从业者不太想说这些东西。首先第一个尺寸精度不高，粗糙度不好，效率低，成本高，这是一个不争的事实。不是因为我是吃打印这碗饭的，打印什么都好，打印就是万能的，你这个传统的件做不了的我全都能做，给我发图给你弄，不是这样的。这是第一个，大家充分了解了之后其实就有解决方案了。另外一个呢，我觉得不管是谁吧，你了解打印还是不了解打印，你对打印结束后这个零件能不能直接使用要有一定的预期，有些客户也有直接使用的不是没有，但你要看它做什么用。你做NVH是测试是没问题的，不需要机加工，或者是在装配要求不高的情况下，我先拧上了是吧，但我生产阶段还是不是用这个件也是没有问题的，这个事情分怎么讲。还有另外一个呢，我觉得更重要的一个东西就是，很多人讲DfAM,或者我们不说DfAM，我们讲传统设计，打印应用一个很难的一个点就是，大家都是从生产开始的，我们接触了很多，就是客户给我们一个图纸，我们一看这就是铣床加工一个图纸，说你用打印把这个东西干出来，这个东西不是不能干，而是其实没有发挥打印的一个优势，所以我觉得这个行业的同仁大家要一起努力，要把这个应用从制造端开始要推到设计端，就是设计端你要引入一些打印一些概念，它能干什么不能干什么，什么优势什么劣势。我觉得这个件出来之后才更好的去跟需求匹配，能更快地提高生产效率。我觉得这是实现目前行业因信息不对称而造成的一些认知问题的解决方式。