揭秘如何3D打印汽車“Strati”

　　美國Local Motors公司與美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)等聯(lián)合開發(fā)出了3D打印汽車“Strati”。截至2015年2月已通過造型手段制造了4輛，其中兩輛是可實際行駛的電動汽車(EV)。

　　該公司以2015年底為目標(biāo)計劃上市3D打印汽車。首先將上市最高時速35英里/小時(約50km/小時)、續(xù)航距離約80英里(130km)的“低速款”版本。價格為1.8萬～3萬美元。常駐ORNL的美國Local Motors公司高級制造工程師James Earle表示，計劃在2016年底之前上市“實現(xiàn)高速公路行駛，并使續(xù)航距離倍增”的3D打印汽車。除了EV之外，還計劃開發(fā)發(fā)動機(jī)汽車的3D打印車，“將研究隔熱構(gòu)造”。

　　Strati的研發(fā)基地位于ORNL內(nèi)的“制造示范基地(Manufacturing Demonstration Facility，MDF)”(田納西州諾克斯維爾，圖1)。該3D打印車“工廠”設(shè)有大型3D打印機(jī)、用于打磨造型品表面的5軸切削加工機(jī)，以及組裝場地(圖2)?，F(xiàn)場沒有輸送帶及手推車之類的任何搬運(yùn)裝置。從3D打印機(jī)上卸下來，再裝到5軸加工機(jī)上時，“用叉車抬一下就行了”。

　　用3D打印機(jī)造型的Strati的車身重約550kg。普通汽車的骨架、車門、發(fā)動機(jī)罩及內(nèi)裝部件合起來約有400kg左右，與之相比較重。

　　圖1：位于美國橡樹嶺國家實驗室制造示范基地內(nèi)的3D打印車開發(fā)基地。美國Local Motors公司的技術(shù)人員(高級制造工程師James Earle)常駐此地，共同推進(jìn)研發(fā)。

　　圖2：制造3D打印車時需要的設(shè)備(a)為ORNL內(nèi)的3D打印機(jī)。屬于研發(fā)機(jī)型，相當(dāng)于美國Cincinnati公司制造的“BAAM”的前身。(b)為精加工用途的5軸加工機(jī)。

　　EV常用的2萬個部件被減至50個以下

　　目前的“工廠”就是研發(fā)設(shè)施內(nèi)部被稱為MDF的地方，不過Local Motors公司預(yù)定在2015年內(nèi)運(yùn)用與ORNL的共同研究成果在附近設(shè)立小型工廠“微工廠”，開展3D打印車的商務(wù)運(yùn)作。該微工廠所需要的設(shè)備也不會有很大不同。

　　工廠小的最大原因是需要的部件數(shù)量減少到了1/400左右。EV的部件數(shù)量通常約2萬個，而Strati目前不到50個。Local Motors公司用3D打印機(jī)制造車身及底盤等部件，與已有汽車比較，這些部件每一個都相當(dāng)于將至少數(shù)百個部件集為一體。

　　普通汽車的車身和底盤，為了實現(xiàn)在確保強(qiáng)度的同時吸收碰撞能量的構(gòu)造，大多利用由鋼板沖壓成型的多個部件經(jīng)焊接等工藝組裝成骨架。而且外板也是通過沖壓成型制成順滑曲面的獨立部件。而3D打印車不同，通過充分利用造型上的高自由度，“連吸收碰撞沖擊的構(gòu)造也被納入了一個部件的內(nèi)部”，Earle介紹道。因此，現(xiàn)行汽車的車身組裝生產(chǎn)線工序只用一臺3D打印機(jī)便可包辦。

　　這里最關(guān)鍵的是，要用樹脂制造的造型品來確保充分的強(qiáng)度。“憑借目前使用的、以20%比例添加碳纖維來強(qiáng)化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，就足以滿足要求”。同時，公司目前還在做其他嘗試，比如將纖維改為可實現(xiàn)帶色車身的玻璃纖維，以及將聚合物改為PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等。Local Motors公司力爭2015年內(nèi)達(dá)到美國的法規(guī)要求，啟動公路行駛試驗。

　　誕生Strati的大型3D打印機(jī)“BAAM(Big Area Additive Manufacturing)”目前擁有約4.0×2.0×0.9m的造型范圍(圖3)。由ORNL開發(fā)，由機(jī)床廠商美國Cincinnati公司制造。“今后還有望用3D打印機(jī)來實現(xiàn)電機(jī)及懸掛的造型。而且還可考慮組合使用多種材料，比如利用比車身柔軟的材料對保險杠部實施造型”。

　　圖3：3D打印機(jī)“BAAM”

　　由噴嘴噴出熔融樹脂的熱熔解積層方式的3D打印機(jī)。擁有4.0×2.0×0.9m的造型范圍。使用碳纖維強(qiáng)化ABS時，1小時可噴出多達(dá)16kg的材料。照片由Local Motors公司提供。

　　整個車由粗約8mm的噴嘴噴出熔融樹脂來造型。噴嘴的每秒移動距離為76mm，積層厚度為4mm。還有將造形范圍擴(kuò)大至6.1×2.4×1.8m的機(jī)器。ORNL利用相同的裝置制造了造型與老爺車“Shelby Cobra”相同的EV，并在2015年1月舉行的“North American International Auto Show(底特律車展)”上展出。

　　5軸加工機(jī)用于對造型后的車身實施追加加工。之所以要使用該加工機(jī)，主要是因為組裝部件的部位要提高形狀精度。尤其是目前來看，作為采購部件的懸掛，其安裝部位的形狀需要高精度加工。

　　另外，在實現(xiàn)平滑的外觀時也需要使用5軸加工機(jī)。雖然之后還可做涂裝，但通過粘貼像公交廣告招貼那樣的貼膜，便可獲得不亞于已有汽車的外觀效果。這時與凃裝相比，設(shè)備和工序都很簡單。實際上，作為Local Motors公司目前的商品，越野車“Rally Fighter”就使用了貼膜，由此實現(xiàn)了每輛車都不同的顏色及花紋。

　　按照每個顧客的要求來改變造型設(shè)計

　　Strati用3D打印機(jī)造型的時間為44個小時，組裝時間為24個小時。造型時間“將力爭通過改進(jìn)3D打印機(jī)縮短至10～12小時”。

　　與能夠用數(shù)小時來組裝的現(xiàn)有汽車相比，使用3D打印時每輛車的生產(chǎn)耗時較長。但“Local Motors公司并不想制造大量生產(chǎn)的汽車。而是以少量生產(chǎn)貼合顧客個性需求的汽車為目標(biāo)”。因此，與生產(chǎn)及組裝所需要的時間相比，該公司更重視縮短從確定造型設(shè)計到產(chǎn)品完成的時間。

　　Strati的最新試制車在2014年12月初確定造型設(shè)計，在2015年1月底完成，共花費了2個月時間(圖4)。普通汽車從確定造型設(shè)計，到之后制造模具等生產(chǎn)設(shè)備、建立生產(chǎn)體制，再到量產(chǎn)1號車完成，至少要花費10個月時間，但Strati要短得多。“今后將力爭縮短到1周左右”。

　　圖4：Strati造型設(shè)計的改進(jìn)?？稍诙唐趦?nèi)極細(xì)致地變更及調(diào)整造型設(shè)計，這也是3D打印車的特點。(a)為在IMTS(2014年9月)及底特律車展(2015年1月)上展出的Strati，(b)為之后變更造型設(shè)計的Strati。

　　今后，如果顧客“想要這樣的汽車”，與Local Motors公司的工作人員商談造型設(shè)計，并決定造型設(shè)計后，數(shù)周內(nèi)便可交車。James Earle介紹，“到時不僅造型設(shè)計可根據(jù)顧客的要求做微細(xì)調(diào)整，而且還可改變汽車的尺寸，做大的變更”。

　　設(shè)立多個小型制造基地

　　Local Motors公司正如其公司名稱一樣，目標(biāo)是在各個地區(qū)設(shè)立微工廠，在削減運(yùn)輸成本的同時以“地產(chǎn)地消”策略開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品。按照該公司的打算，這些微工廠不僅僅是單純制造產(chǎn)品的基地，還將成為讓顧客參與產(chǎn)品設(shè)計及造型設(shè)計的共同作業(yè)基地，乃至對制造出來的產(chǎn)品展開銷售的基地。

　　截至2015年2月，Local Motors公司已在亞利桑那州菲尼克斯和內(nèi)華達(dá)州拉斯維加斯設(shè)立了微工廠。并且，該公司還計劃2015年內(nèi)在靠近華盛頓哥倫比亞特區(qū)的馬里蘭州的商業(yè)設(shè)施國家海港(National Harbor)，以及前面提到的諾克斯維爾設(shè)立微工廠。另外，該公司已于2014年6月在諾克斯維爾的城市商業(yè)區(qū)開設(shè)門店，成為3D打印車的銷售點。