金屬3D打印行業(yè)市場分析

金屬3D打印行業(yè)市場分析一、3D打?。禾岣卟牧侠寐?、兼顧復雜結(jié)構(gòu)與高性能的新工藝3D打印，又稱增材制造（AdditiveManufacturing，AM），是對于傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的一種“變革性”方法。傳統(tǒng)的減材制造工藝是指利用已有的幾何模型工件，用工具將材料逐步切削、打磨、雕刻，最終成為所需的零件。而3D打印恰恰相反，通過借助于3D打印設(shè)備，對數(shù)字三維模型進行分層處理，將金屬粉末、熱塑性材料、樹脂等特殊材料一層一層地不斷堆積黏結(jié)，最終疊加形成一個三維整體。3D打印作為一項新興技術(shù)，已在航空航天、汽車、生物醫(yī)療、電子、建筑等領(lǐng)域有所應(yīng)用。與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印具有可成形復雜結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品研發(fā)和實現(xiàn)周期短、成功率高、生產(chǎn)成本低、材料利用率高、產(chǎn)品強度高重量輕等優(yōu)勢。根據(jù)《西安鉑力特增材技術(shù)股份有限公司2022年度向特定對象發(fā)行股票證券募集說明書》，3D打印技術(shù)的比較優(yōu)勢具體如下：（1）縮短新產(chǎn)品研發(fā)及實現(xiàn)周期。3D打印工藝成形過程由三維模型直接驅(qū)動，無需模具、夾具等輔助工具，可以極大的降低產(chǎn)品的研制周期，并節(jié)約昂貴的模具生產(chǎn)費用，提高產(chǎn)品研發(fā)迭代速度。（2）可高效成形更為復雜的結(jié)構(gòu)。3D打印的原理是將復雜的三維幾何體剖分為二維的截面形狀來疊層制造，故可以實現(xiàn)傳統(tǒng)精密加工較難實現(xiàn)的復雜構(gòu)件成形，提高零件成品率，同時提高產(chǎn)品質(zhì)量。（3）實現(xiàn)一體化、輕量化設(shè)計。金屬3D打印技術(shù)的應(yīng)用可以優(yōu)化復雜零部件的結(jié)構(gòu)，在保證性能的前提下，將復雜結(jié)構(gòu)經(jīng)變換重新設(shè)計成簡單結(jié)構(gòu)，從而起到減輕重量的效果，3D打印技術(shù)也可實現(xiàn)構(gòu)件一體化成形，從而提升產(chǎn)品的可靠性。（4）材料利用率較高。與傳統(tǒng)精密加工技術(shù)相比，金屬3D打印技術(shù)可節(jié)約大量材料，特別是對較為昂貴的金屬材料而言，可節(jié)約較大的成本。（5）實現(xiàn)優(yōu)良的力學性能?；?D打印快速凝固的工藝特點，成形后的制件內(nèi)部冶金質(zhì)量均勻致密，無其他冶金缺陷；同時快速凝固的特點，使得材料內(nèi)部組織為細小亞結(jié)構(gòu)，成形零件可在不損失塑性的情況下使強度得到較大提高。二、為什么開始用：產(chǎn)品升級，牽引新材料、新結(jié)構(gòu)應(yīng)用新工藝我們認為，新工藝應(yīng)用的背景，在于產(chǎn)品升級周期，牽引對新材料、新結(jié)構(gòu)的要求。（一）民用伴隨產(chǎn)品升級周期，新材料在高端產(chǎn)品領(lǐng)域滲透率逐步提升例如，伴隨消費電子性能和應(yīng)用升級需求，鈦合金憑借強度大、質(zhì)量輕和耐腐蝕的優(yōu)異性能已逐步應(yīng)用在高端智能產(chǎn)品中。消費電子通常具有小巧輕便、操作簡單和節(jié)能設(shè)計等優(yōu)點。隨著各類消費電子產(chǎn)品滲透率逐步提升，性能和應(yīng)用升級成為行業(yè)下一步發(fā)展的主要方向，其中新材料的使用是重點方向之一。電子產(chǎn)品金屬結(jié)構(gòu)件一般以不銹鋼和鋁合金為主，但重量不占優(yōu)勢，鋁合金雖有輕量優(yōu)勢，但硬度不夠。而鈦合金的強度高于不銹鋼，重量卻只有同體積不銹鋼的一半。因此，鈦合金憑借其強度大、質(zhì)量輕和耐腐蝕的優(yōu)異性能，目前已在逐步應(yīng)用在高端消費電子產(chǎn)品。例如，根據(jù)貝哲斯咨詢《鈦合金未來將在消費電子領(lǐng)域持續(xù)滲透，國內(nèi)拋磨設(shè)備廠商有望受益》，從蘋果的專利儲備和已經(jīng)發(fā)布的AppleWatchUltra配備上看，使用鈦合金制作手機中框有可能成為蘋果下一代手機的重要創(chuàng)新點之一。鈦合金在消費電子領(lǐng)域的應(yīng)用有望進一步滲透，截至2022年12月，蘋果公司已累計獲得鈦合金材料相關(guān)專利8項，亞馬遜、XLOONG、RokidAir等廠商都推出了使用鈦合金的AR設(shè)備。（二）裝備性能升級需求，復雜度提升，新工藝成為傳統(tǒng)工藝互補選擇據(jù)美國國防部官網(wǎng)2022年10月28日新聞，美國國防部網(wǎng)站發(fā)布了一項最新的制造技術(shù)提案，計劃使用增材制造技術(shù)來設(shè)計和制造能夠在極端條件下運行的高超音速武器和車輛系統(tǒng)。據(jù)該新聞，美國國防部指出，目前，傳統(tǒng)的制造工藝無法滿足先進高超聲速武器所需的復雜結(jié)構(gòu)零件的制造要求，GAMMA-H（GrowingAdditiveManufacturingMaturityforAirbreathingHypersonic）計劃將有助于推動增材制造工藝的應(yīng)用與發(fā)展，以滿足現(xiàn)代高超聲速空氣助燃系統(tǒng)所需的推進和溫度要求。國防部制造技術(shù)項目辦公室副主任凱文德弗里斯表示，“我們需要使用增材制造工藝制造的材料來突破極限，科學已經(jīng)證明這是可以做到的，但應(yīng)用還不夠廣泛。GAMMAH計劃將鼓勵繼續(xù)采用這一突破性的技術(shù)?！比?、為什么可以用：性能領(lǐng)先，降成本、增效率是規(guī)模應(yīng)用前提在追求高性能的航空航天實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，或在一定程度上證明3D打印結(jié)構(gòu)件性能已具有相對優(yōu)勢。2022年11月16日共青團中央公眾號發(fā)布《戰(zhàn)機零部件是3D打印的？“羅陽青年突擊隊”研制》一文，該文指出航空工業(yè)沈飛在新研的機型上3D打印件已經(jīng)實現(xiàn)批量裝機，我國3D打印制造技術(shù)或已實現(xiàn)在飛機上規(guī)?；瘧?yīng)用。產(chǎn)品升級周期如果是讓金屬3D打印“開始用”，那么成本降低與效率提升，則是實現(xiàn)“可以用”的前提。（一）金屬粉末材料價格、設(shè)備價格、零部件國產(chǎn)化，為降本關(guān)鍵路徑成本降低路徑方面，原材料價格、設(shè)備價格下降，以及核心零部件國產(chǎn)化等，是提高行業(yè)滲透率的關(guān)鍵，并且正在發(fā)生。原材料價格方面，市場供應(yīng)量增加、規(guī)模優(yōu)勢顯現(xiàn)，價格呈快速下降趨勢，驅(qū)動3D打印結(jié)構(gòu)件成本降低。①據(jù)鉑力特2022年年報，其3D打印定制化產(chǎn)品營業(yè)成本結(jié)構(gòu)方面，直接材料占營業(yè)成本比重為27%，占比低于制造費用（60%），高于直接人工（12%）。②據(jù)《SLM打印金屬零件成本分析與預測模型》（陳未，浙江大學碩士學位論文，2019年），在優(yōu)化SLM打印金屬零件可變成本方面，金屬粉末的單價及利用率是主要驅(qū)動因素，粉末單價的20%價格下降可節(jié)省6.42%的可變成本，金屬粉末20%的利用率上升可以節(jié)省5.35%的可變成本。③據(jù)鉑力特《向特定對象發(fā)行股票申請文件的審核問詢函的回復（豁免版）（修訂稿）》，2020年至2022年，公司自制3D打印粉末銷售價格呈現(xiàn)下降趨勢，但同時毛利率仍保持增長，同期銷售價格由2020年的144.48萬元/噸，降低至2022年的78.19萬元/噸，同期該業(yè)務(wù)毛利率反而從30.81%，提升至38.98%。主要原因為：一方面，公司自制粉末報價參考國內(nèi)市場3D打印粉末平均價格水平變動，高品質(zhì)金屬3D打印粉末，尤其是航空級、醫(yī)用級別的高質(zhì)量粉末市場最初由國外廠商壟斷，進口粉末單價高。公司生產(chǎn)的3D打印粉末性能指標能夠滿足粉末需求方的要求，因此粉末售價較高，隨著國內(nèi)3D打印粉末廠商的增加，市場粉末供應(yīng)量上升，粉末平均價格水平下降，公司銷售的粉末價格隨之下降；另一方面，隨著公司自制粉末逐步形成規(guī)模成本優(yōu)勢，2022年起，公司通過主動降價進一步開拓市場，提升公司粉末市場知名度和占有率。設(shè)備價格方面成本下降、性能提升。伴隨技術(shù)端成熟、規(guī)模效應(yīng)，以及參與者增加，3D打印工業(yè)設(shè)備銷售價格近年穩(wěn)中有降，降低下游客戶的使用成本；但與此同時，設(shè)備效率不斷提升，客戶的使用滿意度進一步增加，成本下降曲線更為陡峭。據(jù)WohlersAssociates發(fā)布的《WohlersAssociates2022》，2021年全球工業(yè)增材制造系統(tǒng)銷售平均單價為93404美金，2020年為100510美金、2019年為98105美金，呈下降趨勢。工業(yè)增材設(shè)備一般價格較高，針對價格敏感型下游客戶，設(shè)備制造商可采用國產(chǎn)零部件代替進口零部件，從而降低成本以滿足其成本效益方面的考慮。據(jù)華曙高科《發(fā)行人及保薦機構(gòu)回復意見》，從性能來看，國產(chǎn)激光器與進口激光器在輸出功率、光束質(zhì)量等方面不存在顯著差異，在長期穩(wěn)定性方面，進口激光器在功率衰減、故障率等方面表現(xiàn)優(yōu)于國產(chǎn)激光器；國產(chǎn)振鏡在掃描速度和延時時間方面略遜于進口振鏡，在鏡片可承受激光功率方面與進口振鏡存在一定差距，在控制精度和溫漂性能方面國產(chǎn)和進口振鏡表現(xiàn)接近。進口零部件和國產(chǎn)零部件雖然在技術(shù)指標方面存在一定差異，但通常核心零部件在增材制造設(shè)備中的使用未達到其極限性能值，據(jù)公司首輪問詢披露數(shù)據(jù)顯示，國產(chǎn)振鏡和激光器整體成本較低，以主要設(shè)備型號D+產(chǎn)品為例，采用進口和國產(chǎn)激光器的設(shè)備每臺銷售成本分別為53.28萬元和50.76萬元，因此國產(chǎn)零部件替代有利于設(shè)備廠商降低成本，形成成本和價格優(yōu)勢。（二）激光器數(shù)量增加、掃描速率提高、鋪粉方式、工藝規(guī)劃促效率提升效率提升方面，激光器數(shù)量增加、激光掃描系統(tǒng)速率提高、鋪粉方式升級、工藝規(guī)劃軟件升級等，均是提高金屬3D打印設(shè)備生產(chǎn)效率的重要路徑。1.單臺設(shè)備激光器數(shù)量增加是提高打印效率的重要路徑之一。激光器數(shù)量增加，3D打印設(shè)備的生產(chǎn)效率有望實現(xiàn)快速改善，更適合批量化生產(chǎn)。據(jù)鉑力特公眾號2022年9月推送，聚焦制造業(yè)對生產(chǎn)效率的高要求，BLT-A450設(shè)備配置六激光，與市面上同體量設(shè)備所配置的四激光相比，整機設(shè)備的單光投入降低約30%，打印效率提升約30%。以滿版分水器為例，整版可一次性成形40個零件，成形時間由72小時縮短至了50小時。BLT-A450配置的450mm×450mm幅面使得單版可以批量產(chǎn)出更多的零件，且單個零件的產(chǎn)出效率和產(chǎn)出成本也會更低；同時更大的成形幅面可以適配更多工業(yè)大尺寸零件，例如大尺寸的注塑模，鞋模等。激光器數(shù)量是反映金屬3D打印設(shè)備生產(chǎn)效率的指標之一，多激光器設(shè)備伴隨技術(shù)升級銷售占比逐步增加。據(jù)華曙高科《發(fā)行人及保薦機構(gòu)回復意見》，公司多激光器設(shè)備銷售數(shù)量逐步提升，從單激光逐步擴展到八激光，技術(shù)升級與單價逐步提升。2.硬軟件能力提升，振鏡掃描速度提高，生產(chǎn)效率提升。振鏡最大掃描速度是影響打印效率的核心因素之一，最大掃描速度越快，可有效減少激光掃描跳轉(zhuǎn)時間，生產(chǎn)效率越高。據(jù)華曙高科招股書，與同行業(yè)可比公司相比，其高分子3D打印設(shè)備的最大成形尺寸、激光器數(shù)量、振鏡最大掃描速度和最大激光功率各項關(guān)鍵技術(shù)指標均居于首位，設(shè)備的成形效率達到國際領(lǐng)先水平。3.鋪粉、添粉方式改善，也是提升設(shè)備生產(chǎn)效率的重要路徑之一。例如，從單向鋪粉到雙向鋪粉，生產(chǎn)效率得到提升。據(jù)華曙高科公眾號2023年5月推送，公司FS350M采用成熟的雙向鋪粉技術(shù)，在保證成品質(zhì)量的前提下，縮短單層鋪粉時間，縮短打印間隔時間，比傳統(tǒng)單向鋪粉效率提高38%。具備豐富的掃描策略，用戶可自主選擇高效率模式、智能模式、高質(zhì)量模式，滿足其個性化應(yīng)用場景需求；據(jù)鉑力特公眾號2022年9月推送，針對粉末循環(huán)系統(tǒng)，鉑力特已推出一套適配于批量規(guī)?；a(chǎn)的“輔機全家桶”，在設(shè)備準備與打印過程中，可使用BLT-GF300供粉機在不影響打印進程的情況下隨時進行粉末添加；在打印結(jié)束取件過程中，雙工位的清粉設(shè)計配合BLT-WL400物料機可實現(xiàn)快捷地粉末回收。4.在設(shè)備不變的情況下，軟件如工藝規(guī)劃軟件升級，也是提高設(shè)備生產(chǎn)效率的重要途徑。例如，據(jù)鉑力特公眾號2023年2月新聞，鉑力特對工藝規(guī)劃軟件BLT-BuildPlaner進行了版本升級，進一步提高軟件的剖分效率、打印效率以及使用便捷性，為用戶提供提效、降本的打印路徑規(guī)劃方案。在早期版本中，BLT-BP主要面向雙光以下的設(shè)備，新版本軟件不再受設(shè)備激光器數(shù)量的限制，覆蓋了鉑力特面市的全部機型。該新聞還提及，BLT-BP在升級之后，零件制造成本下降與設(shè)備激光器數(shù)量增長之間幾乎呈線性關(guān)系，設(shè)備激光器數(shù)量越多，節(jié)省的成本越大，越能為客戶創(chuàng)造可觀的利潤價值。四、為什么需要用：工藝路徑優(yōu)勢契合民用部分需求，性能滿足高端需求（一）3D打印在高附加值金屬如鈦合金領(lǐng)域，或更能契合其降本需求成本是民用規(guī)模應(yīng)用的前提，如批量更大的消費電子行業(yè)，新產(chǎn)品使用新材料，而針對部分新材料，3D打印工藝優(yōu)勢或許更能契合其需求，本質(zhì)還是綜合降本。榮耀折疊屏率先應(yīng)用鈦合金3D打印，3D打印的量產(chǎn)應(yīng)用滲透入消費電子領(lǐng)域。隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，成本逐步降低，其批量運用逐步由航空航天發(fā)展到民用產(chǎn)品。據(jù)榮耀官網(wǎng)《榮耀MagicV2正式發(fā)布，折疊屏手機進入毫米時代》，榮耀公司在2023年7月12日推出的折疊屏榮耀MagicV2中，首次利用了3D打印技術(shù)進行批量生產(chǎn)。該手機的軸蓋使用了鈦合金3D打印工藝，與鋁合金材質(zhì)相比，寬度縮小了27%，強度提升了150%，從而平衡了輕薄與可靠性，提高了折疊屏手機的競爭力，顯示出增材制造在消費電子行業(yè)的生產(chǎn)領(lǐng)域的突破性進展，有利于提高鈦供應(yīng)鏈的良率。（1）3D打印為何契合榮耀鈦合金零部件需求：結(jié)構(gòu)復雜度高，3D打印的一體化成形優(yōu)勢更突出，具備輕量化、一體化優(yōu)勢。與傳統(tǒng)制造工藝相比，3D打印具有可成形復雜結(jié)構(gòu)、縮短產(chǎn)品實現(xiàn)周期、產(chǎn)品強度高重量輕、材料利用率高等特點，成本雖然較高但近期下降趨勢明顯。3D打印技術(shù)的典型特點包括：可制造復雜幾何結(jié)構(gòu)的部件、實現(xiàn)一體化生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)的復雜性不會帶來額外的成本。設(shè)計師不再受到傳統(tǒng)制造工藝的約束，可以更自由地創(chuàng)造零件。相比于傳統(tǒng)非一體化成形，減少組裝等成本。除了鈦合金材料本身的特性能夠帶來輕量化及強度提升的優(yōu)勢之外，結(jié)合金屬3D打印技術(shù)，能通過輕量化、一體化及薄壁結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化，進一步降低零件的重量及提高產(chǎn)品集成度。（2）3D打印為何契合榮耀鈦合金零部件需求：鈦合金作為難變形金屬，低熱導率決定其相比于此前的鋁合金、不銹鋼等材料，部分構(gòu)件傳統(tǒng)機加工方式的綜合成本更大。據(jù)微信公眾號“鈦之家”《鈦合金難加工的四大原因》，鈦合金材具有高強度、高硬度和低密度材料特性，如鈦合金Ti-6Al-4V（簡稱Ti-6-4）抗拉強度達900MPa，硬度為250-375HB，密度4.42g/cm3，然而和鋁合金材等相比，鈦合金材屬很難加工金屬材，主要表現(xiàn)在導熱率低縮短刀具壽命的同時破壞零件完整性，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象、鈦合金的彈性模量低等導致刀具磨損和刀片溝槽磨損。根據(jù)貝哲斯咨詢2023年3月發(fā)布的文章鈦合金硬度高、加工難度大、良率低的特點，也使得其手機中框整體良率約為30%-40%，遠低于鋁合金中框的80%。因此在工藝和設(shè)備的選擇上也提出了更高的要求，而3D打印能有效地解決鈦合金材料成型問題。（3）3D打印為何契合榮耀鈦合金零部件需求：鈦合金作為高附加值金屬，相對于傳統(tǒng)鋁合金、不銹鋼等金屬，3D打印可充分發(fā)揮其高原材料利用率的優(yōu)勢。傳統(tǒng)減材制造方法的原材料利用率較低，而3D打印技術(shù)是在需要的地方堆積材料，由于材料是逐層疊加的，據(jù)鉑力特招股說明書，在生產(chǎn)過程中較少產(chǎn)生材料的浪費，材料利用率最高可超過95%。提高材料利用率，污染也隨之減少，使得3D打印的生產(chǎn)更加綠色環(huán)保，因此對于如鈦合金等高附加值金屬，客戶可利用3D打印優(yōu)勢充分發(fā)揮其高原材料利用率。（二）輕量化、高強度、一體化，有望成為機器人結(jié)構(gòu)件制造路徑之一增材制造提供了結(jié)構(gòu)快速成型、材料結(jié)合應(yīng)用的可能，助力了機器人減重，使機器人擁有了更高的性能和靈活性。機器人輕量化主要通過幾方面實現(xiàn)：（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化。據(jù)《輕量化復合材料與3D打印技術(shù)在服務(wù)機器人上的應(yīng)用與展望》（陳宏偉等，工程研究-跨學科視野中的工程，2022年），傳統(tǒng)的模具制造工藝繁瑣，對于一些復雜的模型零件制造難度大、時間周期長。相對地，3D打印可以實現(xiàn)復合材料復雜結(jié)構(gòu)的快速一體化成型，利用空心、異形的設(shè)計降低密度，同時靈活設(shè)置材料打印路徑，制造出達到需求的高強度零件。在機器人的生產(chǎn)制作上，增材制造比傳統(tǒng)制造更具優(yōu)勢。（2）輕量化材料使用。據(jù)《機器人輕量化材料應(yīng)用的研究進展》（于成濤等，新材料產(chǎn)業(yè)，2019年），制造材料選擇的前提是滿足機器人的服役條件，所以其主體結(jié)構(gòu)材料需要滿足強度高、彈性大、阻尼強的特征。傳統(tǒng)工藝中運用的是高強度、低成本、易制作的合金鋼，犧牲了機器人的輕便度。而3D打印可以實現(xiàn)如鈦合金、鋁合金等多種輕型材料的制作，保證主體條件的同時減輕機器人自重。3D打印可選擇的材料更多、適用范圍更廣，比起傳統(tǒng)的合金鋼制造更能匹配不同場景下機器人的需求。3D打印的獨特設(shè)計和材料選擇，契合機器人的部件制造。（1）傳感減震彈性皮膚。據(jù)百家號援引3DScienceValley發(fā)布文章《工業(yè)機器人怎樣與人安全、高效協(xié)作？3D打印“皮膚”給出解決方案》，在工業(yè)生產(chǎn)過程中，為了避免工業(yè)制造機器人與人類或其他機器人發(fā)生碰撞，3D打印廠商巴斯夫ForwardAM與裕克施樂運用具有高減震性和柔韌性的UltrasintTPU01熱塑性聚氨酯粉末進行增材制造，在機器人關(guān)節(jié)處覆蓋3D打印獨有的晶格點陣結(jié)構(gòu)皮膚，提高安全性和工作效率。（2）精密穩(wěn)定的機械關(guān)節(jié)。據(jù)百家號援引瑞云智造發(fā)布文章《金屬3D打印機器人機械臂關(guān)節(jié)部》，機械臂關(guān)節(jié)原來的傳統(tǒng)鑄造加工具有工藝復雜、周期長的弊端，瑞云智造使用材料鋁合金AlSi10Mg進行3D打印，降低了研發(fā)周期，也保證了機械關(guān)節(jié)的抗腐蝕性、熱傳導性、承壓性。3D打印技術(shù)不僅可以應(yīng)用于機器人的整體減重，還可以根據(jù)原有條件進行部件改進，在機器人的制造升級領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具有較為廣闊的潛在應(yīng)用前景。（三）寶馬增材制造布局初獲成效，賦能設(shè)計驗證，契合輕量化需求1.技術(shù)現(xiàn)狀：寶馬增材制造產(chǎn)業(yè)應(yīng)用初獲成效，車企積極布局3D打印技術(shù)寶馬公司較早入局3D打印，技術(shù)布局與產(chǎn)業(yè)應(yīng)用初獲成效。汽車領(lǐng)域是3D打印技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的領(lǐng)域之一，在全球的汽車制造商中，寶馬汽車公司是當前應(yīng)用3D打印技術(shù)的代表。據(jù)微信公眾號“世界先進制造技術(shù)論壇”《每年3D打印5萬個零件，寶馬汽車宣布“增材制造工業(yè)化和數(shù)字化”項目成功》，早在30年前，寶馬就開始使用3D打印技術(shù)，近幾年更是大幅增加投入，開發(fā)了M850i夜空特別版的3D打印剎車卡鉗和S58引擎缸蓋的3D打印鑄造砂芯，在寶馬i8、寶馬MINI等車型中也都增加了3D打印的零件。為了實現(xiàn)3D打印的批量生產(chǎn)，寶馬與2019年3月啟動了“增材制造工業(yè)化和數(shù)字化”（IDAM）項目。該項目由德國教育和研究聯(lián)合部門資助，寶馬公司牽頭，吉凱恩、亞琛工業(yè)大學、弗朗霍夫激光技術(shù)研究所等12家企業(yè)和研究機構(gòu)共同參與推動，力圖引領(lǐng)3D打印技術(shù)在汽車批量生產(chǎn)中的整合。2022年5月，寶馬宣布該項目已經(jīng)取得成功，項目共建成兩條數(shù)字化的汽車零件3D打印生產(chǎn)線，一條位于吉凱恩粉末冶金公司的波恩基地，另一條位于德國慕尼黑。這兩條生產(chǎn)線獨立運行，每年能夠生產(chǎn)約5萬個零件。此外，2020年6月，寶馬投資1500萬歐元（約1.1億元人民幣）建設(shè)的增材制造園區(qū)正式開張。園區(qū)內(nèi)安裝了EOS、SLMSolutions、HP等至少8家3D打印廠商的不同技術(shù)類型的3D打印機，包括SLM、SLS、MJF、LSPc、CLIP、FDM等前沿的3D打印技術(shù)，共計擁有超過50臺工業(yè)聚合物和金屬3D打印機。2.3D打印賦能汽車設(shè)計驗證與生產(chǎn)制造，契合汽車輕量化與新能源趨勢。（1）3D打印技術(shù)縮短汽車設(shè)計驗證周期3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計領(lǐng)域可實現(xiàn)直接、精確與快速的汽車實體模型制造。據(jù)《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報告》（中國汽車工程學會等，北京理工大學出版社，2017年）、《淺談汽車油泥模型制作的特點和相關(guān)技術(shù)》（嚴虎等，時代汽車，2022年）、《3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用》（沈衛(wèi)東等，汽車工程師，2016年），汽車造型設(shè)計通常要經(jīng)過圖紙二維設(shè)計、使用軟件把概念化的二維汽車造型變成精確的數(shù)據(jù)和3D模型、利用相關(guān)材料制造汽車實體模型、進行造型與功能評審等流程，3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計領(lǐng)域主要應(yīng)用于優(yōu)化汽車實體模型制造。當前汽車實體造型主要通過油泥模型展現(xiàn)，在油泥模型的制造中，除車身主體部分由油泥銑削完成外，3D打印技術(shù)可大量應(yīng)用于車身附件模型的制造，如格柵、Logo、門把手及光亮飾條等零件，替代所需工藝復雜、制作耗時費力的油泥零件模型。同時，在造型設(shè)計階段，汽車造型更新變化快且需多方案對比展示，3D打印技術(shù)可直接、精確、快速地對零件模型進行制造，在有效縮短模型制造周期同時能夠充分展示造型細節(jié)。3D打印早期又被稱為“快速原型”技術(shù)，在零部件原型試制生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。據(jù)《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報告》（中國汽車工程學會等，北京理工大學出版社，2017年），在汽車零部件原型試制生產(chǎn)過程中，制造商對試驗與測試的零部件產(chǎn)品原型數(shù)量要求不高，但對制造時間縮短與制造成本降低的要求較高，同時試制生產(chǎn)階段零部件往往需要在測試評估后多次進行設(shè)計更新與迭代，直到獲得在設(shè)計與性能方面合格達標的產(chǎn)品。3D打印很好地滿足了制造商低成本少量制造需求，在獲得新的設(shè)計模型后無需經(jīng)過重復開模等流程即可直接快速打印出新的零部件原型，縮短從產(chǎn)品測試評估到產(chǎn)品改進迭代周期。據(jù)《3D打印在汽車制造中的應(yīng)用》（崔厚學，世界制造技術(shù)與裝備市場，2017年）、《淺談3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用》（李靖，內(nèi)燃機與配件，2018年），美國Stratasys公司為賓利定制了3D打印汽車輪胎原型，輪胎與輪轂一次性制造完成，與原車輪胎大小相同，制造時間僅為188h28min，同時為賓利制造了具有支撐結(jié)構(gòu)的3D打印車墊原型，制造時間僅為11h49min；該公司還利用3D打印技術(shù)為奧迪生產(chǎn)車尾燈燈罩原型，將制作周期縮短50%。據(jù)Formlabs，在3D打印技術(shù)加持下，福特汽車設(shè)計師不再需要提前幾周提出原型產(chǎn)品生產(chǎn)需求，僅需在其技術(shù)中心利用3D打印技術(shù)即可快速制作設(shè)計原型，并能夠在短短幾個小時內(nèi)迭代多個設(shè)計，例如在制作福特Puma背面字母的原型時，設(shè)計師通過3D打印出的原型觀察字體線條和陰影在不同照明條件下的顯示效果，并對設(shè)計快速進行改進。（2）3D打印技術(shù)可應(yīng)用于各類汽車零部件的直接與間接生產(chǎn)汽車主要由車身、電子輔助部件、內(nèi)飾和動力系統(tǒng)四個部分構(gòu)成，3D打印技術(shù)能夠提供各部分零部件的直接生產(chǎn)能力。據(jù)《3D打印技術(shù)在汽車試制中的應(yīng)用》（周偉趙等，企業(yè)科技與發(fā)展，2022年）、《3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢》（李金華等，汽車文摘，2018年），3D直接打印技術(shù)具有快速成型與成本節(jié)約特性，同時可以用更大的自由度來實現(xiàn)設(shè)計的想法，能生產(chǎn)高度定制的部件，尤其是針對那些經(jīng)過拓撲優(yōu)化的輕量化結(jié)構(gòu)及高強度復雜結(jié)構(gòu)零件，更能突顯其技術(shù)優(yōu)勢。大型車企多已在部分零部件領(lǐng)域應(yīng)用3D打印技術(shù)，在車身部件方面，寶馬為i8Roadster車型定制3D打印的窗戶導軌（使用HPMJF技術(shù)）和頂棚支架（使用金屬PBF技術(shù)），電動汽車公司LocalMotors已經(jīng)成功3D打印了整個汽車車身。在電子輔助部件方面，3D打印部件生產(chǎn)公司Slant3D已經(jīng)證明了3D打印在生產(chǎn)定制電子部件時無需開模具，特定場景下具備一定成本效益。在內(nèi)飾部件方面，2018年通用汽車和Autodesk利用創(chuàng)成式設(shè)計開發(fā)了3D打印的座椅支架，該座椅支架由不銹鋼材料打印而成，從8個零件簡化為1個零件，重量減輕了40%；HP使用MJF技術(shù)生產(chǎn)了具有復雜晶格結(jié)構(gòu)的3D打印汽車座椅；豪華汽車品牌保時捷于2020年也為旗下跑車設(shè)計了3D打印的座椅。在動力部件方面，保時捷和SLMSolutions公司合作，利用3D打印技術(shù)為其電驅(qū)動裝置制造外殼；布加迪公司使用3D打印技術(shù)制造了部分汽車底盤部件，包括革命性使用鈦合金材料3D打印制動卡鉗等。除直接生產(chǎn)汽車用零部件之外，3D打印還被應(yīng)用于零部件模具、工裝夾具等生產(chǎn)，間接為汽車制造、工裝等流程賦能。據(jù)《3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用》（范武等，內(nèi)燃機與配件，2023年）、《3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用》（縱榮榮，汽車實用技術(shù)，2022年）、《3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢》（李金華等，汽車文摘，2018年），在零部件模具制造方面，部分汽車零部件的生產(chǎn)須通過模具來制造，而當前汽車零部件外形和結(jié)構(gòu)日趨復雜，增加了相應(yīng)模具的研制和生產(chǎn)難度，傳統(tǒng)工藝可能難以實現(xiàn)。以輪胎花紋的生產(chǎn)為例，輪胎花紋是重要而又復雜多變的輪胎加工制造難點，其加工的精密程度直接影響到輪胎的精度和質(zhì)量，甚至是輪胎的安全、駕駛的舒適度等等。輪胎花紋具有弧度多、角度多的特點，結(jié)構(gòu)往往呈現(xiàn)出空間三維扭曲，采用傳統(tǒng)的加工手段難以精準完成。為解決這一難題，米其林與法孚合作，通過金屬3D打印設(shè)備進行米其林輪胎模具的研發(fā)與制造，突破了傳統(tǒng)鑄造與機加工技術(shù)難以實現(xiàn)的復雜紋理制造。在工裝夾具制造方面，據(jù)《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報告》（中國汽車工程學會等，北京理工大學出版社，2017年）汽車制造中會用到各種刀具、夾具等工裝，其中很多工裝屬于小批量定制化產(chǎn)品，3D打印能夠低成本、短周期生產(chǎn)小批量定制化產(chǎn)品的優(yōu)勢與工裝產(chǎn)品的生產(chǎn)模式十分契合。以沃爾沃卡車為例，其位于法國里昂的發(fā)動機廠正是使用3D打印機來快速制造工裝產(chǎn)品，自引進3D打印技術(shù)以來，該工廠已打印了超過30種不同的工裝供生產(chǎn)線上的工人使用，包括耐用、輕巧的鉗子、夾具、支架，以及符合人體工程學設(shè)計的刀柄。3D打印團隊在收到需求的幾個小時內(nèi)即可簡單地改變設(shè)計規(guī)范并將夾具打印出來，實現(xiàn)工裝需求的快速響應(yīng)。（3）3D打印技術(shù)在汽車輕量化與新能源汽車領(lǐng)域亦具備較大應(yīng)用潛力3D打印技術(shù)能夠應(yīng)用輕質(zhì)材料、具備復雜結(jié)構(gòu)打印能力，契合輕量化實現(xiàn)路徑。據(jù)《3D打印與汽車行業(yè)技術(shù)發(fā)展報告》（中國汽車工程學會等，北京理工大學出版社，2017年），出于環(huán)境保護和節(jié)約能源的需求，汽車輕量化已經(jīng)成為全球汽車制造技術(shù)發(fā)展的潮流。汽車輕量化指在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。實驗證明，若汽車整車減重10%，燃油效率可提高6%-8%；汽車整車質(zhì)量每減少100kg，每百公里油耗可降低0.3-0.6L。3D打印技術(shù)一方面能夠使用諸如碳纖維增強復合材料等輕質(zhì)材料，另一方面其制造工藝能夠?qū)崿F(xiàn)復雜結(jié)構(gòu)零部件的制造以達到汽車小型輕量化的要求。例如豐田汽車聯(lián)合比利時的軟件與3D打印服務(wù)商Materialise公司，從拓撲優(yōu)化和3D打印技術(shù)入手，共同設(shè)計了一款輕量化的3D打印汽車座椅，該座椅實現(xiàn)了大量的材料節(jié)約，較上一代設(shè)計輕了18kg，減重高達72%，座椅中復雜的鏤空結(jié)構(gòu)通過傳統(tǒng)制造工藝會面臨成本過高甚至是無法制造出來的問題，3D打印技術(shù)在未來的輕量化設(shè)計應(yīng)用中具備較大潛力。3D打印技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域應(yīng)用潛力廣闊。據(jù)《3D打印在新能源汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢》（王曉燕等，金屬加工（熱加工），2022年），世界上的電動機研發(fā)團隊已將大量精力轉(zhuǎn)移到將3D打印系統(tǒng)集成于電動機生產(chǎn)周期中，以實施更強大、更高效地拓撲優(yōu)化下一代電動機。預測未來幾年內(nèi)，原型拓撲優(yōu)化電動機組件的3D打印將急劇增加，最有可能集中在3D打印電動機繞組、熱交換器和同步轉(zhuǎn)子上。在車企中，保時捷與GKN合作推進Connactive項目，其聚焦點是新材料與新設(shè)計的結(jié)合；福特攜手亞琛工業(yè)大學開發(fā)靈活而可持續(xù)的3D打印電動機零部件，其聚焦點在于銅金屬。據(jù)Ford官網(wǎng)，2021年福特、蒂森克虜伯、亞琛工業(yè)大學和Engiro組成的行業(yè)聯(lián)盟啟動了下一代電動機的研究項目，旨在開發(fā)靈活可持續(xù)的生產(chǎn)工藝，3D打印將在生產(chǎn)線中發(fā)揮重要作用。（四）高端裝備領(lǐng)域需求高，3D打印或成為兼顧性能與成本的較優(yōu)選擇據(jù)《3D打印技術(shù)在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用研究》（林旭斌，戰(zhàn)術(shù)導彈技術(shù)，2018年），“相對于傳統(tǒng)的航空航天飛行器，高超聲速飛行器在臨近空間/大氣層內(nèi)長時間以超過馬赫數(shù)5的高速持續(xù)飛行，工作環(huán)境惡劣，尤其在彈身/機身外形局部的氣動駐點、激波附著點，以及采用