3D打印汽车颠覆了谁？

　　在汽车工业发展的每一个时期，几乎都有一个潮流的关键词出现。现在最受业内关注的一个新词叫“3D打印汽车”。近日，一款名为“Strati”的3D打印汽车驶上美国芝加哥街头，成为业内关注的焦点。据设计者介绍，这辆纯电动的3D打印汽车制作周期为44小时，整辆汽车的零件成本约为3500美元。于是有业内人士惊叹，3D打印技术“将颠覆传统的汽车流水线生产模式”。对于这种论调，笔者保留不同的看法。3D打印技术给笔者的感觉更像是激光测距科技--众所周知，激光测距的应用对人类的生活产生了深远的影响，但尽管如此，全世界的裁缝还是更愿意使用传承了上千年的皮尺。如果要讨论3D打印汽车到底能颠覆谁，不妨从3D打印技术的本质说起。

　　3D打印技术有哪些？

　　3D打印技术其实说到底，就是材料的叠加成形，从本质上看可以视为是“工业雕塑”。这要求成形材料具备叠加可塑性。从打印材料和打印工艺上来看，目前3D打印技术主要有3DP、FDM、SLA以及SLS四种流派。

　　3DP三维粉末粘接技术属于最简单的3D打印技术，之前在国内引发轰动的3D打印房屋，正是该技术的产物。3DP最早由麻省理工学院在1993年提出，其原理就是喷一层胶水，再喷一层粉末，再喷一层胶水，再喷一层粉末……逐渐叠加成形，该技术最大的优点在于不受材料限制，只要是粉末就行--甚至包括小麦粉；然而其最大的问题就在于材料的物理强度不够，充其量只能打印个维纳斯放在家里当摆设。如果想要增强3DP金属打印件的物理强度，往往需要通过加热的手段去除每一层粘合剂，并且同时熔化金属粉末让每一层熔结，必要时还需要进行二次加热去除材料中的空隙--尽管如此，3DP金属打印件的物理强度依然无法和传统的浇铸件和锻造件相提并论，从而限制了该技术在工业领域的进一步应用。

　　接下来说的是FDM熔融熔融挤出成形技术，Strati的碳纤维增强塑料车身正是FDM技术的产物。除了碳纤维塑料，FDM的使用材料还包括诸如ABS塑料、PLA塑料、PVC塑料、尼龙等这类热塑性材料。材料在喷头内被加热熔化，再被挤出迅速冷却固化，从而达到叠加成形的目的。由于打印精度较低，FDM打印件边缘都有分层沉积产生的“台阶效应”--这一点在Strati的车身上可以清晰地反映出来。所以，对精度要求较高的快速成形工业领域对FDM技术基本不感冒。但是FDM技术也有其它3D打印技术无法比拟的优点，第一是成形快，第二是成形体积较大--实际上，要完成Strati这样的3D打印汽车项目，也只有FDM技术能完成，如果使用其它的3D打印技术，充其量只能打印个汽车模型出来。

　　SLA光固化成形技术是目前工业领域应用得最多的3D打印技术。DLP激光成形技术以及UV紫外线成形技术其实都可以算是SLA技术的范畴。该技术主要使用光敏树脂为材料，通过紫外光、激光或者其他光源照射凝固成型，逐层固化，最终得到完整的产品。尽管光敏树脂的物理强度较差，但是其成形速度快，打印精度极高，可以满足复杂的结构成形要求，因此在工业模具领域很有市场。例如病人需要给右腿更换人工膝关节，就可以用SLA技术扫描左膝关节，然后反向打印出右膝关节，从而制成模具，最后再由模具倒出合金钢的仿真右膝关节。而对某些物理强度要求不高的配件而言，例如个性化的手机塑料外壳，SLA技术甚至可以直接打印出成品。

　　SLS选区激光烧结该技术由美国德克萨斯大学开发于1992年。SLS技术可以被视为是3DP三维粉末粘接技术的“激光烧结版”。该技术原理是将材料粉末加温至熔化临界点，然后喷出，再由激光在粉末层上进行快速扫描，将粉末熔化烧结形……接着不断重复“铺粉-烧结”的过程，完成最终的叠加成形，就材料而言，SLS技术可以选择金属和某些塑料。尽管SLS金属打印件的物理强度要优于3DP的金属打印件，但依然无法和传统的浇铸/锻造金属件相比。

　　以上就是3D打印科技目前使用的主流技术。在这里说这么多，并非是笔者有意卖弄知识，笔者想说的是，3D打印技术如果是只看打印成形件的话，只有FDM技术可以保证其物理强度--但这并不见得完全是好事。

　　3D打印技术的局限性

　　以Strati为例，其车身结构和F1赛车类似，底盘和座舱融为一体，这在工业上这种技术有一个名词，叫“单体橫造”，227层的打印叠加层保证了Strati的车身主架构的坚固程度不亚于F1赛车座舱。但是Strati却不具备F1赛车的动能分解车身，同时也缺乏必要的溃缩区，这就表示，Strati其实不安全，一旦发生碰撞，碰撞动能将会直接传递给车上的乘员。无论是欧盟还是美国的法规，都不会允许这样的车上路。当然，Strati可以销售--事实上，Local Motors公司已经开始公开叫卖Strati，但是却无法上牌，车主只能在赛道内或自家庄园内驾驶Strati。这其实和卡丁车是一个性质。

　　3D打印汽车如果想获得和普通汽车一样的上路待遇，就必须解决车身安全问题。由于民用车禁止使用F1赛车的动能分解车身结构，因此3D打印汽车只能采用吸能溃缩的安全结构，尽管碳纤维材料强度高，但脆度同样也很高，韧性欠佳，碰撞后无法完成吸能，因此不能作为吸能结构的首选材料。最佳的选择是金属。

　　目前，比较适用于3D打印的金属有钛合金、铝合金、钼铬合金以及铁镍合金。其中钛合金尤其受到重视。由于钛合金导热率低，在加热时热量不会发散引起局部变形，比较适合利用激光快速成型技术。当然，钛合金材料价格也很高，一辆配备有钛合金3D打印车架的汽车，其价格绝对不会便宜到哪儿去。或许未来可以开发出更便宜的3D金属打印材料，但不得不说的是，金属和3D打印技术不太合拍。

　　之所以“不合拍”，是因为金属的3D打印必须以金属粉末或熔化的液态金属为材料--无论3D技术如何发展，这一点永远不会改变。金属的熔点比较高，在打印叠加过程中将涉及到金属的固液相变、液态金属的流体表面扩散以及热传导等多种物理过程。需要考虑的问题还包括，生成的晶体组织是否良好，打印件的密度是否均匀，内部杂质和孔隙的大小等等。另外，快速的加热和冷却还将引起打印件内部较大的残余应力。而在打印过程中加热源的功率和能量分布、聚焦点的移动速度和路径、加料速度以及温度控制等等，都会影响到金属3D打印件的最终品质。从工艺的角度而言，3D打印金属件的工艺可靠性是相当低的，相同的物理强度，3D打印件的成本要比锻造件贵7倍--如果产品尺寸扩大2倍，成本差距还将翻4倍，也就是28倍！

　　历史上曾经有一家专业从事金属3D打印业务的公司叫做AeroMet，该公司开发的钛合金激光快速成形技术被称为Lasform，凭借这套技术，AeroMet与多家航空设备公司进行过合作开发，Lasform能够制成的3D打印件尺寸最大可以达到2400×900×225mm。但是由于3D打印零件的物理强度根本无法和锻造件相提并论，同时成本过高，最终导致AeroMet在2005年关门大吉。

　　生产成本和工艺品质是金属3D打印技术永远的瓶颈。

　　Strati带给我们的启示

　　Strati的研发者说该车的零部件成本只有3500美元，其实是一种偷换概念的说法--购买这套3D打印系统要不要钱？如果算上全部的成本，其研发费用恐怕不止3500美元。或许随着科技的发展，碳纤维生产成本会大幅降低，3D打印生产线也会很便宜，从而支撑起汽车生产线的成本诉求，但是碳纤维不具备金属的延展性，在事故后无法维修，如果只是钣金件那还好说，换掉也就无所谓了，但如果是结构件，更换维修的周期就无法预见了。从实际用车上来看，3D打印汽车可能会对车主的用车感受造成不好的影响。此外，如果打印的零部件内有一些过分精密的设计需求，就算是精度最高的SLA光固化成形3D打印技术也无法胜任，如此也限制了3D打印技术在汽车生产线上的实际应用。

　　或许会有人反驳声称，如果能研发一种新材料，既具备碳纤维的可塑性，又具备金属的韧性和延展性，3D打印技术就可以颠覆传统汽车生产线--对于这种说法必须要纠正一下，如果真的到了那个时候，颠覆传统汽车生产线的不是3D打印技术，而是新材料科技。

　　Local Motors公司还声称，Strati的出现预示着“个性化的私人车辆定制业务将成为现实”。对此笔者不以为然。任何一款新车上路前都必须经过严格的项目验证，如果1000万个车主都希望定制一台属于自己的私家车，笔者敢保证，车辆工程验证机构的负责人一定会发疯--而且就算每天审批10款新车，第1000万个车主也等不到他的爱车被审批下来的那一天了。从根本上看，这种私人定制业务完全不现实，充其量是Local Motors公司的营销噱头。

　　最重要的还有时间。Strati的悬架和动力系统部分依然采用传统金属部件，而电子系统也不能用3D打印的方式制造出来，将这些部件组装到车内是需要时间的。大众设在成都的生产线，每60秒就可以组装出一台车，而3D打印汽车还无法摆脱组装工序的限制，因此3D打印技术的应用并不能显著缩短车辆生产时间。

　　鉴于3D打印技术自身的特点与优势，笔者大胆预言，3D打印技术未来可能会在汽车生产线上占据一席之地，但要谈“颠覆”还不太可能--在保证品质的前提下，只有生产时间和生产成本两者同时占据优势，才能谈得上“颠覆”二字。

　　这里必须强调一下，笔者说了这么多，并不是对3D打印技术在汽车工业内应用的否定。相反，笔者对于3D打印技术在汽车工业上的应用前景相当看好。车企的设计部门以及赛车研发机构将是这一技术的最大受益者，无论是设计验证周期还是设计成本都能大大缩短--想象一下，当传统的汽车设计师还在费时费力打磨一个新车的油泥模型的时候，这边一按按钮，3D打印机就能根据模具软件在一个小时内完成原型车的车体模型样本设计。从长远上来看，3D打印技术最终可以让消费者买到更便宜更可靠的汽车产品。

　　此外，由于3D打印技术的在汽车设计端发挥的强大作用，未来消费者可以选择的汽车会更多。在不显著增加成本的前提下，同一平台的车型会有更多的外观可供选择，这不仅会让消费者感到开心，对于厂商来说也是件好事。最后，在汽车生产线上，3D打印技术也可以扮演一些重要的角色，从而提升汽车的下线速度……

　　有的时候，科技的影响并不一定在于颠覆。

　　文/韦波