近年来，随着商业航天、医疗植入物、消费电子结构件等先进制造领域量产应用的快速发展，增材制造正迈入规模化生产的深刻转型阶段。然而这一工业化进程并非仅仅关乎增材制造设备的升级或材料突破，而是面临着一个更为根本的挑战：如何系统性地管理并利用制造过程中产生的海量、异构数据。

在增材制造领域，数据挑战呈现出多维度的复杂性。首先，数据孤岛现象普遍存在——从设计软件、工艺仿真系统到增材制造设备和质量检测仪器，每个环节都生成并存储着特定格式的数据，这些数据被封闭在垂直的系统架构中，难以互通。其次，行业标准的缺失使得不同系统间的数据格式、接口协议和质量评价标准难以统一，进一步加剧了数据整合的难度。

这种数据割裂的状态直接制约了人工智能技术在增材制造中的深度应用。虽然AI已被公认为是实现复杂结构创新设计、工艺参数自主优化和在线质量闭环控制的关键驱动力，但高质量、可追溯、全链条数据的匮乏使得AI模型的训练和应用面临严重障碍。

根据3D科学谷的市场观察，当前增材制造行业正处于一个关键的节点。构建新一代的制造数据基础设施为AI模型提供可靠的数据基础。数据基础设施的完善将推动增材制造向真正的智能化方向演进。

近日，宝马集团增材制造园区的专家和美国国家标准与技术研究（NIST）的研究团队针对增材制造用户数据管理中面临的5类挑战提出了见解，这为推动增材制造全生命周期中的数据整合工作提供了参考。

 数据连接的价值与集成的挑战

I 增材制造数据管理的5类挑战

数据量与复杂性：增材制造工艺从设计、过程监控到后处理日志，都会产生海量数据。由于这些数据源具有不同的格式和协议，它们通常无法无缝通信，这使得将数据整合到统一系统中变得困难。

可追溯性要求：在量产应用中增材制造常用于制造关键部件，制造商必须为每个部件维护完整的数字线程，链接设计、构建、检测和认证数据。每个参数都必须可追溯，以确保可重复性并符合行业标准。

制造的复杂性: 增材制造的核心优势是生产高度定制化、复杂设计的能力，同时这也引入了操作复杂性。几何形状越复杂，工程师就越可能需要从头开始设计过程。虽然这种方法有助于满足即时需求，但它可能限制技术知识和设计最佳实践的积累，而这些积累原本会随着时间推移提高效率。

工艺可变性：在增材制造中，粉末质量、机器校准或环境条件的微小波动都可能影响部件质量。有效的数据管理对于检测相关性、建立可重复性以及符合标准至关重要。

标准化数据的缺乏：标准化是整个增材制造领域多个环节普遍存在的问题。在数据管理环节，缺乏数据格式和互操作性的通用标准，会使得跨平台和跨机器的集成变得困难。
在增材制造数据管理的前沿实践中，宝马集团增材制造园区的专家指出，数据集成是当下行业最亟待解决的挑战。宝马集团增材制造园区的规划、工具与数据分析负责人Melissa Jechi指出：“设备间的连接常常因为系统的多样性和现有标准的缺乏而停滞，这使得协同工作与监控变得异常困难。”

来源：BMW

这种集成挑战必须放在增材制造完整的生态系统背景下来理解。正如NIST在其相关研究论文中谈到的，一个完全集成的增材制造生态系统涵盖了沿零件、材料和设备三大生命周期的所有活动，这三者在生产中心交汇。零件生命周期构成了从设计到合格零件的快速转化流程；材料生命周期决定了原料质量并通过结合工艺参数来满足最终零件要求；设备生命周期则定义了设备的性能。这三个维度在生产阶段共同作用，决定了最终产品的质量。

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在这样的生态系统中，数据集成面临的根本困难具体表现在两个方面。

首先，设备生态的封闭性问题突出。Melissa指出：“许多设备制造商表示能够提供解决方案，但这通常只适用于一个有限且封闭的生态系统，在与其它系统或竞争对手协作时无济于事。” 这种生态封闭性导致了数据在三大生命周期轴线内部及之间流通的障碍。

其次，数据链的不完整性严重影响了制造过程的可控性。正如Melissa所谈到的：“沿工艺链的数据不完整性意味着信息从设计到仿真再到生产的过程中丢失或碎片化，阻碍了可扩展的集成。” 这种数据断层，正是生态系统内各生命周期数字线程未能贯通的结果。

基于这些洞察，宝马集团的专家提出了明确的需求：“因此，能够无缝连接设计、仿真和生产数据的开放、端到端数据管道将是我最关键的期望。” 这一需求映射出行业对构建真正一体化生态系统的迫切要求。在理想的生态系统中，每个生命周期内的数字数据能够自然融入下游活动，形成数字线程；而在生产交汇点，所有数字线程的数据能够被整合，作为过程控制等生产活动的输入。实现这种端到端的数据连接，正是为了构建这一理想生态。

来源：BMW

 系统性框架：
     从理论到实践的七步路径

根据3D科学谷的市场研究，为了应对增材制造数据管理的系统性挑战，并实现上述生态系统的有效集成，美国国家标准与技术研究院的研究团队为数据集成提出了一套“七步法工作流程”，为处理增材制造中特有的数据挑战提供了系统化的解决方案。该流程可同时应用于数据流处理（步骤连续、实时运行）与批量数据处理（在离散的、预定的时间周期内运行）。

第一步：明确数据源定义
一切数据工作的起点在于清晰的定义。该步骤要求明确回答三个核心问题：需要集成哪些数据？这些数据的结构是什么？如何实现集成？具体来说，涉及对数据类型（如图像、视频、三维模型）的界定，以及对用于解释测量数据位置和大小的坐标系统的说明。此外，还必须记录数据源的描述性信息及其设备元数据（如型号）。这一步骤旨在确保数据提供方与使用方达成共识，为后续所有集成工作奠定基础。

第二步：设计数据收集机制
在数据源明确后，需建立标准化的收集流程。数据可根据固定间隔、特定事件触发或满足预设条件三种模式生成。从设备获取数据主要依靠推送（设备主动发送）或拉取（接收方主动获取）两种方法。无论采用何种模式与方法，关键实践在于制定统一的数据交换标准，用以描述数据及其元数据的位置，从而生成结构化的标准消息，确保数据能够被下游系统正确理解和处理。

第三步：实施数据队列化管理
面对高速、并发的数据流，直接处理可能导致系统过载。引入消息队列作为缓冲层是有效的解决方案。数据首先被暂存于队列中等待处理，随后可转移至另一队列等待永久存储。这一机制能有效削峰填谷，防止数据丢失，并为后续处理环节提供稳定的数据流。相关论文中指出Apache Kafka和IBM MQ是该领域的典型技术。

第四步：执行数据分级归档
长期、可靠的数据存储需要根据数据类型选择策略。一个核心原则是：将增材制造过程中产生的图像等大型文件与其描述性元数据分开存储。对于图像等非结构化数据，通常使用文件系统或托管的云存储服务。而对于需要频繁查询和关联的元数据，则最适合使用关系型数据库管理系统。当元数据结构稳定、变化不频繁时，文档数据库（如NIST的增材制造材料数据库AMMD）也是一种高效的选择。

第五步：制定数据精简策略
并非所有数据都需要永久保存。为了控制存储成本、提升系统性能并确保长期可持续性，必须制定主动的数据管理策略。这包括定期删除过期数据、对数据进行聚合汇总、消除冗余副本，以及在满足分析需求的前提下，有选择地降低某些数据集的质量或精度。这一步骤的核心是在保留数据价值与管理系统负担之间取得平衡。

第六步：构建融合决策模型
收集和管理数据的最终目的只有一个：从中获取价值，从而驱动更优的决策。决策模型的构建主要融合两类方法：一是基于机器学习的预测模型，它需要大量准确的历史数据作为训练基础；二是基于规则的专家系统，它封装了领域专家的经验与知识（以“如果-那么”规则形式）。NIST研究团队在相关论文中建议将两者结合，以构建更为可靠、健壮的智能决策支持系统。

第七步：推动决策模型的实践应用
决策模型只有集成到真实的生产环境中才能产生实际价值。在增材制造场景中，这意味着将决策模型嵌入制造控制系统，形成“感知-分析-决策-执行”的闭环。例如，模型可以实时分析数据，在预测到关键缺陷时触发警报，或在检测到工艺异常时自动调整激光功率、扫描速度等参数，甚至中止构建过程。这一步标志着数据真正从静态资产转化为驱动生产优化和保障质量的核心动力。

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 数据管理为企业带来的价值

在实践层面上，宝马集团增材制造园区的关键做法是实现个车间层面的标准化与互操作性。

Melissa强调了公司迈向更智能数据管理的方法，核心在于数据质量与透明度。他们的目标是看到标准化的数据模型和应用程序接口（API）实时接入内部中央数据湖，在已经实现实时数据连接的领域，他们观察到了更快的验证流程、更清晰的透明度以及可扩展的数据管道。

这类实践为增材制造运营带来的一些可衡量的效益：关元数据的可用性显著提升，同时错误率下降，使得应用端能够进行更精准的数据分析，从而提供可操作的见解以提升工艺效率。宝马集团已经借此缩短了交付周期，提供设备利用率和员工的工作能力。

也就是说，有效的数据管理不仅解决了技术层面的问题，更带来了实际的商业价值，因为无论是设备利用率、交期还是员工的应用能力都是企业在市场中的竞争力。

 数据为“眼耳口鼻”的信号，数字孪生为“大脑”，智造未来

增材制造的数据管理正在经历从被动响应到主动规划的转变。NIST的研究团队在论文中指出，增材制造数据标准将在数据集成中扮演关键角色，而ASTM国际委员会F42.08正专注于制定AM数据互操作性标准。随着此类新标准在数据注册、融合和安全等领域的陆续出台，并结合现有通用标准，增材制造产业化进程的商业化有望加速。

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增材制造的智能化转型本质上是一场围绕数据能力构建的深刻变革。宝马集团的实践洞见和NIST的系统性框架共同揭示了一个明确的发展方向：未来的竞争优势或将属于那些能够率先构建开放、贯通、智能的数据基础设施的企业。构建完善的数据集成与管理体系，道路虽然充满挑战，但无疑是通向智能制造未来的必由之路。

我们需要看到的是，增材制造中数据的多元异构特性是“无罪的”，这就好比人类自身，通过眼睛，鼻子，耳朵，手等器官获得的信号同样也是多元异构的，但关键在于，人类的大脑可以同时处理这些不同模态的信号，做出解析、判断和执行指令。同样的，在增材制造领域，也正在出现这样的增材制造“大脑”。

落到操作层面，国际上，SynaCore数字孪生体AM-DT的多模态仿真模型与AI算法，能预测3D打印零件的微观组织、机械性能等，并根据所预测的包含析出相的微观组织进一步预测热处理结果。正如人类的大脑可以同时处理不同模态的信息，SynaCore的数字孪生软件平台将机器、材料和工作流程同步为一个单一的自适应核心，从而减少浪费，加速创新周期。通过SynaCore，用户在打印前可通过数字孪生软件完成“虚拟试印”，显著减少实验轮次和试错成本。

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SynaCore 将于TCT亚洲展会期间首次发布其基于数字孪生体AM-DT的Adaptive Tool Path优化后的加工参数确保每一层都在最优工艺窗口内进行，持续反馈的数据包括在变形、开裂等缺陷的结果可以使AM-DT数字孪生体形成“感知-仿真-决策-执行-学习”的自治闭环，使下一轮3D打印在缺陷控制上再进化，形成‘越打越准、越打越稳’的自进化制造范式。

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宝马集团在增材制造方面的应用不仅限于生产零部件，还包括为员工定制的矫形器、教学和生产辅助设备，以及3D打印工装夹具等。

▲ 汽车行业的3D打印路线图
© 3D科学谷

宝马集团在其生产系统中采用增材制造技术，这不仅提高了生产效率，还带来了一系列其他好处，3D打印使得宝马能够快速、经济、灵活地生产生产辅助设备。这种技术允许宝马根据具体需求对产品进行单独调整，优化其工装夹具的重量，从而提高生产线的速度，缩短周期时间，降低成本。

增材制造技术的应用还有助于减少工装夹具的体积，从而降低二氧化碳排放和成本。这表明宝马集团在追求经济效益的同时，也在致力于环境保护和可持续发展。

宝马集团的这些举措体现了其在技术创新和生产效率提升方面的领导地位，同时也展示了其对环境责任的承诺。通过这些先进的制造技术，宝马集团能够更好地满足市场需求，提高竞争力，并为可持续发展做出贡献。

 3D打印砂型模具

宝马集团兰茨胡特工厂采用的砂型增材制造工艺，对于制造铝制气缸盖的模具来说，是一项革命性的创新。这种技术允许制造出传统工艺难以实现的复杂几何形状，从而提高产品的性能和生产效率。以下是3D打印在制造铝制气缸盖模具中的一些关键步骤和优势：

1. 设计阶段：首先，需要使用CAD软件设计出气缸盖的三维模型。这个模型将被用来生成3D打印所需的数据。
2. 3D打印模具：使用3D打印技术，可以打印出砂型模具。这种模具是通过将沙子逐层涂覆并使用粘合剂固定来制造的。这种方法可以创建出非常精细和复杂的内部结构。
3. 砂型铸造：一旦砂型模具打印完成，就可以将其用于砂型铸造工艺。模具中的空腔被填充以液态铝，然后冷却固化形成气缸盖。
4. 后处理：铸造完成后，需要对气缸盖进行清理，去除多余的材料，并进行必要的机械加工，以确保其尺寸精度和表面光洁度。
5. 优势：
   复杂性：3D打印技术可以制造出具有复杂内部结构的模具，这在传统铸造中很难实现。
   成本效率：由于可以快速打印出定制模具，生产成本和时间都得到了优化。
   设计灵活性：设计师可以更自由地探索新的设计，而不必担心制造的限制。
   轻量化：通过优化内部结构，可以制造出更轻的气缸盖，从而提高燃油效率和性能。
6. 环境影响：与传统铸造相比，3D打印技术可以减少材料浪费，并且可能降低能源消耗。

通过这种先进的制造技术，宝马集团能够提高生产效率，同时保持产品质量和创新性。这种技术的应用不仅适用于汽车行业，还可以推广到其他需要复杂砂型模具的领域。

 3D打印制造大型机器人夹具

宝马集团位于兰茨胡特的轻量化结构和技术中心在制造过程中采用了3D打印技术，这不仅提高了生产效率，还实现了材料的节约和环境的保护。使用3D打印技术制造的机器人夹具，重量大约120公斤，制造时间仅需22小时。这些夹具用于生产BMW M车型的所有CFRP（碳纤维增强塑料）车顶。

压机首先装载CFRP原材料，通过夹具旋转180度来拆除成品屋顶。这种设计简化了生产流程。与传统夹具相比，3D打印夹具重量轻约20%，这有助于延长机器人的使用寿命，减少系统磨损，并延长维护周期。两个步骤的结合使用减少了生产循环时间，提高了生产效率。

夹具的制造采用了两种不同的3D打印工艺，SLS（选区激光烧结）用于制造真空夹具，而LSP（大规模印刷）用于制造大型屋顶壳和轴承结构。

LSP工艺使用注塑颗粒和回收塑料，CFRP剩余材料也可以被回收利用，与传统制造方法相比，制造夹具时的二氧化碳排放量降低了约60%。2023年夏季，宝马推出了新一代更轻的夹具，通过拓扑分析和优化，实现了重量的进一步减轻。新型夹具比前代轻了25%，使得BMW M3 CFRP车顶的制造过程只需一台机器人即可完成，而之前需要三台。

现在，宝马集团兰茨胡特工厂的所有CFRP屋顶现在都采用了通过3D打印技术制造的夹具，这展示了宝马在轻量化和生产效率方面的创新应用。

通过这些创新的3D打印技术，宝马集团不仅提高了生产效率，还实现了对环境的保护，这体现了其在汽车制造领域的先进性和可持续发展的承诺。

 3D打印砂型模具用于底盘构造

在慕尼黑工厂，宝马进一步采用了仿生机器人夹具，这些夹具用于固定和移动BMW i4的整个地板总成。这些夹具通过3D打印技术制造的砂铸模具，然后通过铸造的方式填充液态铝，实现了重量和最大负载能力的优化。与传统型号相比，这种夹具轻约30%，重量仅为110公斤。

使用砂型铸造和铝制造的夹具可以形成复杂的负载优化结构，这有助于最大限度地减轻重量。这意味着在中期可以使用更小、更轻的重型起重机器人，这些机器人需要更少的能源，从而减少二氧化碳排放。

宝马集团慕尼黑工厂的工程和机器人主管Markus Lehmann表示，他们正在不断扩大通过增材制造（即3D打印）制造的生产辅助设备的使用。在夹具和搬运系统领域，他们已经用高度集成和重量优化的轴承结构取代了完整的夹具系统，这使得在搬运整个BMW i4地板组件时，整个夹具的重量减轻了30%（50公斤），从而延长了设施的使用寿命。

宝马集团通过3D打印技术的应用，不仅提高了生产效率，还有助于实现更环保的制造过程。这种创新技术的应用展示了宝马集团在汽车制造领域的前瞻性和领导力。

 在增材制造中使用创新软件解决方案

复杂的仿生结构是使用特殊的通用软件工具（例如 Synera）进行设计和计算的。BMW iVentures 对这款软件进行了战略投资，该软件以前称为 Elise。Synera 可实现快速高效的优化，现已用于 BMW 集团内的许多开发领域。 该软件用于设计和计算复杂的仿生结构。Synera软件的优化功能特别适用于3D打印，因为3D打印的高度灵活性允许拓扑优化的仿生结构能够精确打印，从而实现轻质结构设计的潜力。
在夹具设计方面，宝马集团开发并实施了自动化的工作流程，这使得结构的计算和构造可以快速高效地完成。这种自动化流程的实施，可以显著提高生产效率，并可能降低成本，同时保持或提升产品质量。

通过这种投资和技术创新，宝马集团能够保持其在汽车行业中的领先地位，并推动汽车制造技术的发展。

 3D打印工装夹具的优势

3D打印工装夹具的优势与发展前景

3D打印技术在工装夹具制造领域具有显著的优势和广泛的应用前景。以下是一些关键点，概述了3D打印工装夹具的相关情况：

1. 提高生产效率：3D打印技术可以快速制造工装夹具，与传统制造方法相比，可以大幅缩减制造周期23。
2. 降低成本：3D打印技术可以减少材料浪费，避免复杂的加工工艺，从而降低制造成本23。
3. 轻量化设计：3D打印技术提供了设计灵活性，允许设计师通过优化结构来减少材料使用量，实现轻量化设计2。
4. 复杂形状制造：3D打印技术能够制造出传统方法难以实现的复杂形状的工装夹具，满足特殊工件的加工需求2。
5. 定制化生产：3D打印技术可以根据具体需求快速定制工装夹具，提高生产过程的灵活性和定制化水平23。
6. 材料选择多样：3D打印技术可以使用多种材料，包括塑料、金属、橡胶和蜡等，随着技术的发展，更多具有高性能的材料将被用于工装夹具的制造3。
7. 简化生产流程：3D打印可以将多个组件合并设计并一次成型，简化了组装工序，减少了生产维护成本3。
8. 提高人体工程学：3D打印技术可以制造出更符合人体工程学的工具，减轻工人的劳动强度，提高操作的安全性和准确性3。
9. 应用案例：在汽车制造、航空航天和医疗器械等行业中，3D打印工装夹具已经被广泛应用，提高了生产效率和产品质量23。
10. 未来发展前景：随着3D打印技术和材料的不断创新，3D打印工装夹具预计将在未来发挥更大的作用，特别是在耐磨、高强度的工装夹具制造方面2。

这些优势使得3D打印工装夹具成为提高生产效率、降低成本、实现定制化生产的重要工具。随着技术的进一步成熟和应用的拓展，3D打印工装夹具有望在更多行业中得到广泛应用。

1：清锋科技《快速3D打印在汽车工装夹具中的应用》当选优秀论文

2：3D打印工装夹具：提高生产效率的为了技术 | Stratasys官网

3：工装夹具：通过3D打印提高生产效率的6种方式_制造

4：3D打印应用-工装夹具 | Stratasys官网

5：3d打印 工装夹具怎么用，3d打印工件 | Stratasys官网

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用大型铸件替代尽可能多的单个零件和工序，从而在简化生产流程的同时降低成本、重量和二氧化碳排放量，这种方法听起来很诱人。但另一方面，对新系统和基础设施的前期投资、产品线的重新配置以及与大型部件的生产和进一步使用相关的技术挑战都很高。
在兰茨胡特宝马轻金属铸造厂与克劳斯-萨默尔（Klaus Sammer）和托马斯-科普（Thomas Kopp）博士进行的背景讨论中，双方得以讨论支持和反对的主要论点，并了解宝马公司的具体观点。

 说到一体化压铸或者巨型压铸，没有“对”与“错”之分

Kopp 和 Sammer 深入研究了与大型铸件生产相关的问题，并深知其中的利弊。

2024年宝马位于兰茨胡特的轻金属铸造厂的情况如何？

位于兰茨胡特的宝马集团轻金属铸造厂是一个极具创新性的厂址，拥有广泛而独特的铸造技术。其中包括传统的重力铸造和低压铸造。一种特殊的重力铸造工艺是喷射铸造工艺，该工艺由兰茨胡特的铸造专家于2007年开发并获得专利。它结合了重力铸造和低压铸造的优点。在浇注开始时，使用喷射器对型腔进行填充，出口位于模具底部。在浇注过程中，注射器缓慢向上移动。在填充过程中，出料口始终低于熔池表面。这导致了分层模具填充，对凝固过程产生了积极影响。这种工艺可用于生产高度复杂的功能部件，如电机的中央外壳。生产底模所需的砂芯完全采用无机粘结剂系统。正如 Kopp 和 Sammer 所强调的那样，这使得铸造过程几乎不排放废气，而且这种情况已经持续了 15 年以上。除了传统的射芯工艺，兰茨胡特生产基地还可以使用无机粘结剂喷射系统进行增材制造的方法生产砂芯。这确保了该基地未来的可行性。

在压铸领域，该生产基地拥有十套设备，锁模力从 3,000 吨到 6,000 吨不等。当然，有充分的理由支持使用锁模力超过6000吨甚至高达16000吨的压铸单元。”对”或 “错”的问题并不能一概而论，因为它总是与整体环境有关。
决定是否使用巨型铸造在很大程度上取决于生产工艺的具体要求、现场条件（如物料流/物流）以及公司的标准和目标。

众所周知，铸造件的一个优点是可以替代钣金部件，从而省去制造和装配步骤。一个简单的例子是减震塔，这意味着可以替代大约15个部件。在这种情况下，由于可替代部件的数量较少，轻量化的潜力相当低。减震塔是在压铸机上制造的，锁模力在2000吨至3000吨之间。

后纵向构件的替代程度较高，轻量化潜力较大。然而，由于喷砂面积较大，还需要4000吨的大型机器。

如果目的是尽可能多地替代部件，那么一体化后底板是正确的选择。在这种情况下，可以替换80到100个部件。这些所谓的一体化压铸件是在锁模力超过8000吨的系统上生产的。然而，这并不一定是轻量化潜力最大的解决方案。为了能够通过压铸生产部件，下图中红色的金属板表面（如行李箱底板或车轮拱罩）必须具有一定的最小壁厚。这通常大于负载所要求的壁厚，因此会增加部件的总重量。增加重量的同时也增加了材料成本，因为昂贵的轻量化材料铝被用在了一些本可以用更薄的板材（如成型金属板）的位置。

在正确的位置使用正确的材料和正确的制造工艺（拓扑优化）至关重要。在重量和替代程度方面，4000吨到6000吨之间的压铸机生产的部件是最佳选择。

然而，除了轻量化潜力之外，在做出决定时还需要考虑许多其他因素。在这一点上，应该提到与热处理同时进行的功能要求。维修方案的重要性也不容忽视。对于大型铸件来说，修复方案的适用范围有限，而且通常需要支付额外费用。

另一个关键是物流成本，随着部件尺寸的增大，物流成本也会显著增加。为了解决这个问题，铸造厂必须与整车厂相连，从而投资新的压铸系统。所需的系统数量在很大程度上取决于整车厂的产量和每条生产线的变型产品数量。通常需要多台压铸机才能可靠地向汽车生产线供货。

对于压铸模具也提出了类似的挑战。由于部件尺寸大，预计模具磨损会增加，从而导致维护间隔缩短，因此需要的模具数量也会增加。

原则上，应该指出的是，目前在宝马公司使用锁模力大于 6000 吨的铸造单元并不具备有效的优势。位于兰茨胡特的宝马零部件工厂拥有强大的供应商网络，从而确保了整车厂的供应。

在宝马公司，重点不在于可行性，而在于通过创新和大量的专业知识实现最佳效果，同时在正确的位置使用正确的工艺铸造正确的材料。

关于宝马兰茨胡特工厂

在宝马集团兰茨胡特工厂，约有 3,700 名员工生产由铸造轻合金制成的发动机、底盘和车身结构部件、用于汽车外饰的塑料部件、碳纤维车身部件、驾驶舱和设备范围、发动机和传动轴。兰茨胡特工厂是宝马集团全球最大的零部件工厂，为宝马集团在全球的所有汽车和发动机工厂提供零部件，因此几乎为每一辆宝马、MINI、劳斯莱斯和宝马摩托车提供零部件。兰茨胡特宝马集团工厂代表着以数字化和可持续发展为特征的零部件生产，以及对资源的负责任利用。

凭借面向未来的技术，兰茨胡特宝马集团工厂在汽车行业及其供应商行业的技术转型中扮演着创新驱动者的角色。在与工厂直接相连的轻量化和技术中心（LuTZ），来自各个领域的专家积极推动未来车型的可持续发展。他们在早期阶段就参与到新车型的开发过程中。在兰茨胡特和下巴伐利亚地区，宝马集团兰茨胡特工厂是一个具有社会责任感、创新性和吸引力的雇主。

关于托马斯-科普博士和克劳斯-萨默尔

克劳斯-萨默尔自1985年以来一直是宝马集团的一员，最近曾担任丁格芬工厂的车身涂装规划主管，2018年至2021年担任匈牙利德布勒森在建工厂的车身涂装主管。之后，他接管了宝马集团兰茨胡特工厂轻金属铸造厂的产品和工艺规划管理工作。除了在宝马集团任职外，萨默尔还是多个协会的顾问委员会成员。

• 2001年至2005年 慕尼黑宝马工厂项目经理
• 2005年至2011年 慕尼黑宝马工厂研发团队主管
• 2011年至2015年 慕尼黑宝马工厂装配和整车验证部门主管
• 2015年至2018年 规划车身车间主管 – 丁格芬宝马工厂
• 2018年至2021年 德布勒森宝马工厂冲压车间和车身车间总经理
• 2021年至2023年 技术中心铸造、工厂列车制造、维护和原型制造以及产品和工艺规划负责人 – 兰茨胡特工厂

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托马斯-科普（Thomas Kopp）博士自2016年完成博士学位后一直在宝马集团工作。他目前在轻金属铸造技术中心担任高级开发团队协调员，负责进一步开发用于未来汽车的创新铸造部件。曾任职务包括生产子项目经理以及重力铸造和低压铸造质量团队负责人。除了在宝马集团工作外，托马斯-科普博士还是多个协会的顾问委员会成员。

l 来源：轻量化技术网

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挺进生产的不仅仅是激光熔丝，这方面，宝马集团正在计划在量产车辆中使用采用 WAAM 电弧增材制造工艺制造的零部件。

▲ 激光熔丝增材制造
© 宝马汽车

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“昂贵的制造成本与波动的制造质量”存在不少“鸿沟”。然而从减少浪费的角度去看，3D打印与汽车产业其实是天然契合的。不需要模具，数字仓储，压缩供应链… 3D打印几乎消除了与供应链相关的非价值创造成本，例如包装、运输、仓储、库存管理和海关。

3D科学谷

▲ 着力点
© 3D科学谷白皮书

 “火线”

无论技术如何变化，或者新的创新如何让人感到眼花缭乱，制造业的基本目标都保持不变：减少意外停机时间，降低成本，消除不必要的浪费等等。而制造业的制造供应链上存在的隐形浪费包括模具、成千上万的零部件的仓储与物流、因零部件的繁多而导致的沉重的备品备件的仓储等等。

随着3D打印技术和材料的进步，可以使用的材料以及端到端的工作流程软件控制从根本上改变了采用增材制造的方式，一些现有制造商正在创造增材制造领域的专业知识，以便控制自己的供应链，改变产品制造的灵活度。

在宝马慕尼黑的增材制造园区，宝马集团拥有一条通往汽车金属零部件和工具的创新增材生产工艺的“火线”。在电弧增材制造 (WAAM) 中，使用电弧熔化由铝或类似材料制成的线材，然后，软件控制的熔覆头将大量材料实现精确熔覆，直到完成整个部件。由于能源需求较低和材料浪费较少，这样的生产也可以更加可持续。未来，宝马集团计划在量产车辆中使用采用 WAAM-电弧增材制造工艺制造的零部件。

 优秀的机械性能

材料沉积的宽度和高度较大，这意味着使用 WAAM-电弧增材制造可以极其快速地生产组件。与宝马集团已在原型和小批量生产中使用的粉末床金属熔融金属3D打印工艺相比，WAAM 特别适合较大的部件， 典型的壁厚非常适合制造车身、驱动器和底盘区域的部件。

WAAM-电弧增材制造工艺中较宽的材料沉积意味着所制造的零部件表面并不光滑，而是略有波纹，必须在关键区域进行精加工。机械性能方面，宝马集团工程师能够证明 WAAM 组件可以用于高负载，包括循环负载，甚至无需对表面进行后处理。优化的工艺参数对于确保直接生产的耐用性至关重要，因此焊接工艺参数和机器人路径规划的组合必须得到最佳协调。

 轻量化设计

3D打印带来的数字化，让人类第一次能够产生真正的经济净收益门槛：通过将客户行为与生产者行为同步，以需求为导向，从生产过剩转向需求驱动的生产。

汽车行业需要利用3D打印技术的具体优势来提升产品设计，然而要想将3D打印用于具体的汽车零部件生产，需要突破的一大挑战是经济性。目前，用于3D打印的汽车零部件大多数是小批量的十几个，要增加到汽车行业普遍所需要的高达100万的产量，3D打印必须要突破经济性的障碍。

突破经济性的一个途径是提升产品的生命周期价值，例如对于汽车领域来说，轻量化是算得出回报的产品生命周期价值提升，因为这带来了最直接的驾驶过程中能源的节约。

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为了充分利用 WAAM-电弧增材制造工艺生产的优势，制造工艺与新部件设计的结合至关重要。为此，宝马集团不断加速运用创成式设计。在这里，计算机通过算法根据具体要求设计优化的组件。这些算法是与跨学科团队密切合作开发的，部分灵感来自自然界的进化过程。与仿生结构一样，第一步是仅生成实际所需的材料，在第二步的微调过程中，仅在必要部位对组件进行加固。这最终会带来更轻、更坚固的零部件设计，以及更高的效率和改进的车辆动力。

相信增材制造因其在轻量化方面的优势而将在竞争激烈的汽车生产领域中获得不断增加的部署。不久的将来，增材制造将为汽车的结构件、电动机、电池制造等方面带来一定程度的改变。虽然当前3D打印技术进入到产业化领域的局限性还包括速度、成形尺寸、成本、质量一致性等。未来，3D打印技术的发展将突破当前局限，迈向更高的速度、更好的过程控制，以及更适合的材料应用。随着3D打印技术的快速发展，其为汽车制造带来的改变将更加令人耳目一新。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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2022年上市的宝马iX，并未延续采用宝马i系列（i3&i8）的全碳纤维车身，而是在7系（Carbon Core）的基础上的延续。宝马iX一共有7个碳纤维部件，分别应用在顶盖横梁、A柱上边梁、侧围加强件和尾部加强件，其中外观可视的是侧围与尾部加强件。

在碳纤维复合材料的探索上，宝马一直在前行。2022年，宝马揭示了与慕尼黑工业大学合作通过3D打印与自动纤维铺放（AFP）技术，以更低的成本制造碳纤维复合材料部件的进展。本期，3D科学谷将分享这一进展，并剖析3D打印技术在其中的应用逻辑。

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 寻找模具替代方案，降低成本

回顾2019年，德国宝马在一个名为MAI Skelett 的开发项目中，展示了一款碳纤维复合材料制造的前窗框架。该部件的设计采用了单向碳纤维增强热塑性塑料拉挤件来取代以前的热固性复合材料技术。这是一种由两个步骤组成的“骨架”设计工艺，首先是制造出热成型拉挤件，然后对其进行包覆注射成型。

MAI Skelett项目展示的热塑性复合材料的挡风玻璃框架，是对碳纤维的拉挤件（下）进行包覆注射而制成的，该部件被用于宝马iX SUV上。

这一工艺与复合模塑工艺(overmolding) 类似，该工艺过程涉及热塑性复合材料层压板的热成型及随后的二次注塑。这种近净成形生产工艺非常适合复杂三维结构部件的规模化、自动化生产，所制造的部件产品能够很好地满足结构功能一体化的设计要求。不过根据宝马供应商德国西格里碳纤维（SGL Carbon）相关技术人员的观点，复合材料制造工艺在此基础上取得了进步。

而这些进步则得益于“骨架（ skeleton）” 设计工艺。正如宝马在MAI Skelett项目中首次证明的那样，通过这一工艺在75秒的节拍内就能够制造出复合材料顶盖构件，性能超过了以前部件的所有要求。2020年，西格里碳纤维和德国Koller Kunststofftechnik 公司一起，获得了宝马的多年订单，开始为批量生产宝马车前窗和后窗框架中的热塑性碳纤维增强材料构件。

宝马在推动“骨架” 设计工艺走进量产的同时，也在继续探索更加优化的工艺。因为目前的注射成型用的模具非常昂贵，宝马的目标是，获得一种完全能与MAI Skelett项目相媲美但是成本更低的解决方案。在此背景下，宝马与慕尼黑工业大学合作，研究如何利用3D打印来降低此类部件的注射成本。

慕尼黑工业大学多年来一直在开展各种项目研究，探讨如何将传统的复合材料生产工艺如自动纤维铺放（AFP）与采用连续纤维增强材料的3D打印结合起来。为了对Skelett车顶框架进行下一代的革新，研究人员采用两种不同的3D打印工艺与连续碳纤维增强热塑性塑料制成了两个不同的示范部件。

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其中一种是使用选择性激光烧结（SLS）3D打印和注射或自动纤维铺放技术，制造车顶框架。另一种是采用材料挤出3D打印与自动纤维铺放技术相结合，制造中顶框架。这两个框架都略微弯曲，与底盘框架一起形成一个闭合的箱体结构，提供了必要的刚度和抗扭力。前车顶框架还需要与挡风玻璃等多个组件相互配合。

l 选择性激光烧结3D打印的应用

宝马团队采用选择性激光烧结3D打印技术制造出非常复杂的结构，从而形成为下一步注射或铺放碳纤维复合材料的空腔。然后注射或铺放热塑性碳纤维增强复合材料。最后再放入金属嵌件，用于连接车顶框架与周围的结构。

l  材料挤出3D打印的应用

宝马团队探索的另外一项3D打印技术基于材料挤出工艺。采用的设备是带有材料挤出头的机械臂，材料为热塑性颗粒，在塑料颗粒熔化后，安装在机械臂上的3D打印头对塑料熔体进行沉积。相对而言，材料挤出3D打印的材料成本比选择性激光烧结更低，每千克成本不到5欧元，并且材料回收使用的成本也更低。另一方面的优势是材料的沉积速度高。在大型加工中，最大的材料沉积速度可达每小时2至35千克，而其他工艺的加工速度大多局限在每小时1千克以内。

项目团队采用慕尼黑工业大学中的AM Flexbot 3D打印机制造了示范件。首先使用短纤维复合尼龙（CF/PA）材料3D打印出部件的基本形状，然后采用自动纤维铺放技术铺放单向碳纤尼龙（CF/PA）带，对局部结构进行加强。由于3D打印材料和局部加强用的材料使用了相同类型的纤维和基体材料，因而更便于材料的回收利用。

宝马团队为示范件设计的结构为夹层结构，即在3D打印的芯层上下，铺放纤维增强外层。这一方式消除了传统注射工艺中的模具成本。

l  3D打印夹层的设计逻辑

通过上图可以看到，3D打印夹层结构采用了对称的正弦波图案。那么宝马团队采用这一设计背后的逻辑是什么呢？

根据3D科学谷的了解，宝马团队主要考虑了两点。一点是需要遵循3D打印工艺的设计规则，对于团队所采用的机械臂材料挤出3D打印技术而言，最有效的设计是有连续的材料沉积路径；另一点是需要考虑接后面的自动纤维铺放工艺，3D打印件需为后续的带材铺放提供平台。

根据团队相关人员的解释，这一纤维增强部件是一个轻微弯曲的结构，一边会产生张力，另一边会产生压力。为了使负荷从一边传递到另一边，需要按±45º铺放纤维，团队的设计做到了这一点。正弦波的设计变成了抗剪腹板。

宝马团队用了600克3D打印材料，芯层的打印时间在30分钟内。然后采用自动纤维铺放技术，通过向前移动片层来铺放增强材料，在最后一步中加入金属嵌件和板材。金属嵌件可由机器人或人工放置，也可以用超声波焊接。

 工艺拓展和未来应用

以上探索的碳纤维3D打印工艺具有自动化属性，而任何基于自动化的加工都具有极高的可重复性，这为未来探索产业应用奠定了基础。

此外，3D打印的速度与精度也是能否用于真正生产的关键因素。宝马项目的团队成员表示，在速度方面，最好是以每小时10千克的沉积速度进行打印，然后略微进行表面加工，而不是一味的追求打印精度以至于使速度降低。关于精度，需要把握哪里需要高精度，例如中顶框架中有两个点需要与车辆的金属框架相连接，那么在这里就需要尤其注意公差问题；前顶框架部件制造是采用的选择性激光烧结技术能够获得较高精度，并克服挡风玻璃和内饰附件处的公差问题。现在，宝马仍在探索3D打印与自动纤维铺放工艺的更多复杂应用。

根据3D科学谷的市场观察，关于碳纤维增强复合材料在汽车制造中的发展前景，汽车制造界存在不同的观点，有的观点认为限于成本高、人才短缺，供应链不完善等因素，碳纤维材料带来的轻量化体验只是少数高端车型的配置。

但也有业界观点认为，这些挑战可以被不断突破，从而使碳纤维复合材料技术应用到更多普通车型。并且单就成本而言，碳纤维零部件的成本与传统金属部件的成本并不能一对一比对，因为引入碳纤维制造技术后，车辆零部件的设计方式也会随之改变，从而将多个传统零件整合为一个部件。此外，碳纤维在轻量化方面还为车辆带来了综合效益提升。这些都是碳纤维复合材料的优势。

随着从内燃机向电动动力系统的大规模转变，考虑到电池带来的额外重量，减重变得更加迫切。作为一种典型的轻量化材料，碳纤维复合材料的应用符合这一发展趋势。尽管如此，降低碳纤维复合材料成本，在其产业化应用的发展中是个避不开的话题，而3D科学谷以上分享的宝马3D打印+AFP 的工艺探索，其主要目标也是验证成本更低的碳纤维部件制造方式。或许一切尚需等待，但前行的脚步已日渐清晰。3D科学谷对于汽车领域的碳纤维趋势及3D打印技术在其中的应用将保持长期观察。

参考资料：

《从i3到iX看宝马汽车碳纤维应用的十年之路》

《汽车用碳纤维走进死胡同了吗？》

《采用连续纤维增强材料的3D打印和AFP技术生产汽车示范件》

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通过以下TCT 亚洲展主办方分享的国际前沿汽车增材制造应用案例，可以感受到3D打印技术在汽车零部件制造领域的潜力及发展。

 3D打印特级超跑Czinger的未来蓝图以量产为目标

尽管就目前而言，3D打印一整辆汽车仍是不现实的，但3D打印技术对于整套汽车工业生产体系，却展现出非比寻常的意义。Divergent Technologies的创始人Kevin Czinger希望利用数字化生产系统替代整个汽车生产线。

Divergent Technologies开发的分散自适应生产系统(DAPS)已经成为一个非常有效的“数字汽车工厂”，被用于制造1,250马力的21C跑车，它不仅具有3D打印的制造流程，而且还装载了3D打印制造的关键部件。例如由SLM Solutions设备打印的铬镍铁合金排气系统和防风罩，具有足够的强度和完整性，可以承受极高的速度。1,250马力的输出功率匹配1,200公斤的超轻重量，这款跑车被认为可以挑战特斯拉Roadster等高性能电动汽车。

Czinger21C跑车引擎舱内部

这部车的组件用Ctrl+P打印的例子比比皆是：悬挂摇臂、撞击溃缩结构、仪表板和排气灭声鼓，打印材料用的都是Inconel、铝合金和钛合金。3D打印的变速箱外壳实现了将热交换器变成外壳结构的一部分，而非挂在变速箱外侧，如此一来不仅节省了空间，还有助提升热交换效率。

今年Czinger有望推出大幅更新的2.0版本原型21C，厂方届时会动用新型变速箱、经过彻底重建的引擎和碳纤维底盘，并尽量剔除瑕疵漏洞。

 宝马汽车宣布“增材制造工业化和数字化”项目成功

宝马汽车的IDAM汽车增材制造工业化和数字化项目于2019年启动，历时3年，宝马宣布该项目正式完成。

IDAM项目旨在为增材制造业进入汽车系列生产铺平道路，推动“汽车领域的增材制造（AM）技术的工业化和数字化”。该项目建立了两条生产线，一条在GKN的波恩工厂，另一条在宝马集团的慕尼黑工厂，通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低了一半以上。

30年来，宝马持续追求工业化3D打印，并在不同的车型上进行应用，包括M850i夜空特别版的3D打印刹车卡钳，以及宝马6缸发动机S58的3D打印零件。

宝马开发M850i夜空特别版的3D打印刹车卡钳

宝马开发的6缸发动机S58的3D打印零件

此外，宝马还通过旗下的投资部门BMW i Ventures对3D打印技术进行了一系列的投资，2021年他们为Rapid Liquid Print提供了种子资金，这家3D打印初创公司从麻省理工学院独家授权了一种凝胶分配工艺，未来有望在相同部件的大批量生产中取代注塑成型。

宝马不是唯一一家大规模采用3D打印技术的汽车制造商。奔驰、福特、奥迪、宾利、保时捷、雷诺、博泽等各大整车厂商与零部件厂商也在诸多生产环节广泛部署了3D打印。

 Vital Auto用3D打印技术推动概念车的发展

英国Vital Auto是一家工业设计工作室，在汽车设计方面具有非常专业的知识积累。沃尔沃、日产、莲花、迈凯轮、吉利、TATA等等汽车制造商都是他们的客户。

一般情况下，一个5-30人的团队，需要3-12个月的时间才可以完成从设计到打造出概念车的工作。在打造概念车时，会采用手工粘土和铣削零件这样的传统工艺，期间大概需要经历十几次核心零部件迭代。为了加快开发进度，提升零件制造能力，Vital使用了3D打印技术。

例如汽车空调通风口，由于很多客户的通风口都是专利产品，要将固定形状的通风口加入到内饰面板中，会增加设计难度。Vital便使用3D扫描仪和3D打印设备，复制通风口的外壳，将其加入到内饰面板中。

Vital Auto生产的3D打印空调通风口

对比传统制作工艺， 3D打印能够让Vital Auto以前所未有的速度和更经济的方式量产具有不同几何形状的零件。成本降下来之后， Vital Auto能够快速组建原型和最终用途零件，从而更有效、更经济地向市场推出新的产品。

Vital Auto研发生产的3D打印开关组、3D打印门封件

不可否认的是，3D打印技术应用于汽车行业，除了可以大幅度降低汽车开发过程中和制造过程中的成本，还能够提升工作效率，降低新车型新零件的开发时间。也许就在不久的将来，3D打印直接生产出大批量生产的汽车也可以实现，但这还需要技术、材料以及打印速度的进一步突破。

 共同探讨前沿汽车零部件3D打印技术

一直代表着亚太地区最前沿的3D打印技术的交流平台：TCT亚洲展将于8月31日-9月2日召开，期间，铂力特、易加三维、Raise3D上海复志、Formlabs、纵横三维、远铸智能、思看科技、anisoprint、康硕电气、一迈智能等多家厂商将面对面向专业观众展示在传统汽车、新能源汽车等方面的应用。

同期活动TCT亚洲峰会：交通与工业论坛也将在展会期间于馆内召开。论坛邀请了来自整车OEM、零部件供应商、汽车研究院的研究员、工程师，从汽车轻量化、汽车零部件个性化定制与维修、汽车模具、打印材料等角度分享3D打印技术在汽车与工业领域的应用案例及发展前景，共同探讨最新的3D打印发展方向。提前锁定您的峰会席位，与行业人士面对面共话增材制造应用与发展。

快速预约参观,多重福利一步尽享

1.关注TCT亚洲展公众号线上免费提前预约参观，省去50元现场门票，节约现场排队时间！

2.行业资讯、同期活动、展商新品等信息第一时间推送给您。

3.现场有机会获取TCT精美小礼品，并参加现场各类精彩活动。

展会时间：

8月31日 星期三 09:00 – 17:00

9月1日 星期四 09:00 – 17:00

9月2日 星期五 09:00 – 15:00

展会地点：

深圳国际会展中心（宝安）7号馆

广东省深圳市宝安区福海街道展城路1号

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ACAM亚琛增材制造中心看到了3D打印带来的通过个性化、功能为导向的产品、灵活的流程来减少当前人类浪费资源的方式。2022年9月14-16日深圳Formnext+PM South China展会期间的discover3Dprinting 3D打印发现之旅论坛，ACAM将携手ACAM U-LINK在中国的合作伙伴：上海交通大学特种材料研究所，上海科技大学智造系统工程中心，为复杂的增材制造导航!

2022年9月15日即将开启发现3D打印之旅-Discover 3D Printing之3D打印中的精益研发与制造，您准备好了吗？

 ACAM为复杂的增材制造导航

Formnext+PM South China展会期间，主办方邀请了德国亚琛增材制造中心（ACAM）的亚洲项目主管Jan Marvin Schaefer于2022年9月15日Formnext+PM South China展会上为业界带来“ACAM为复杂的增材制造导航” 主题分享。

ACAM增材制造中心以亚琛工业大学所在的亚琛园区为基础，促进行业获得与亚琛工业大学和弗劳恩霍夫 IPT研究所和弗劳恩霍夫ILT研究所相关的领先科研机构的增材制造专业知识。ACAM 涵盖从设计阶段到质量控制的整个流程链，重点关注流程链自动化、定制材料开发、提高生产力和缩短周转时间等面向量产目标的增材制造研发主题。ACAM提供联合研发、双边研发的合作、完善的培训和教育计划，以及使行业成员能够建立业务联系和交流实践的在线平台。

扫码报名

discover3Dprinting 3D打印发现之旅论坛

譬如世界范围内宝马首次将金属3D打印集成到汽车自动化制造工艺中，这其中，亚琛工业大学为宝马IDAM项目提供流程链支持。

这项耗资2000万欧元的计划部分由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，12个合作伙伴包括：亚琛工业大学数字制造DAP学院、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所、慕尼黑工业大学金属成型和铸造学院、GKN粉末冶金，宝马集团，Aconity（美铝分拆出来的增材制造业务），Concept Reply，Myrenne，Intec，Kinexon Industries，Volkmann，Schmitz Spezialmaschinenbau。

l 首次将3D打印集成到汽车产线

将增材制造工业化和数字化，使其可用于汽车零部件的批量生产——这是2019年IDAM项目确定的目标。经过三年的密切合作，来自中小企业、大公司和研究机构组成的12个项目合作伙伴宣布成功实施了这一项目。

宝马汽车的自动化增材制造生产线从一个概念开始，现在是一条全自动AM生产线，首次将金属3D打印集成到汽车行业的自动化系列工艺中，这揭示了汽车零部件增材制造的进一步潜力。

一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低一半以上。

© BMW

3D打印在汽车领域实现产业化面临着诸多的挑战，包括3D打印制造产品的最大尺寸，零件质量的一致性，适用于汽车行业的材料，满足汽车行业的制造效率，满足汽车行业的低成本挑战等，那么宝马汽车是如何实现3D打印领域的能力进阶的呢？

项目联盟中的12个合作伙伴中包括中小企业，这些中小企业通过其专业知识为宝马的增材制造生产线设计、提供和连接模块方面的支持。项目开发了各个工艺步骤之间接口的自动化，并开发了用于金属 3D 打印的系列化和模块化生产设施。其他模块化工艺组件，如粉末处理、监控和自动化后处理，也由中小企业开发。

Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务，还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

长久以来，增材制造受制于高成本、高材料价格、高手动工作量、低生产效率、设备之间沟通不畅、端到端的质量保证缺乏一致性等等问题，这些制约因素导致增材制造很难进入到汽车的产业化全自动生产线的形态。

l  全自动生产线也得益于开放矢量格式 (OVF)

在短短三年内，合作伙伴共同开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式，组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品，这些机器由一个中央控制单元协调，来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

© BMW

开放矢量格式为这一成功的数字化做出了重要贡献，这种新的数据格式用于可靠地生成和处理 LPBF 工艺的生产数据。在 IDAM 中用于组合来自不同制造商的流程链中不同程序或自动化子步骤的输出，并合并相应的数据。这为项目中开发的可扩展、模块化和自动链接的LPBF工艺链奠定了基础。

为了能够以最佳方式使用全自动生产线，RWTH亚琛工业大学数字化生产制造学院DAP开发了用于自动优化组件方向的软件模块。对要打印的组件的制造效率、持续时间和质量控制起着重要作用。此外，通过开发基于人工智能的算法，现场过程监控和数据评估得到了改进。在这里，OVF 也能够通过集成元数据来提供支持。

通过 OVF 链接数字和物理流程链，由于精简但信息丰富的数据格式，可实现稳健且高效的制造流程。借助这种标准化格式，可以显着减少将数据传输到工厂的手动工作，从而实现自动化。

l  具有虚拟和增强现实的可扩展培训概念

除了自动化流程链之外，IDAM 还解决了增材制造创新培训概念的需求。在研讨会的基础上，项目开发了增强现实和虚拟现实培训。因此，专家现在可以在可扩展的环境中快速、交互地了解最新的增材制造。除了3D打印工艺本身，培训还涵盖了工艺链中的上游步骤，例如设计——特别是通过增材制造的设计自由度带来的新可能性。

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l 项目合作伙伴的紧密协作和团队精神在成功中得到体现

项目的成功实施需要所有项目合作伙伴的专业知识，这是3D 打印领域实现数字化和自动化的唯一途径。根据宝马集团项目经理 Felix Haeckel ，从项目的第一天开始，合作伙伴之间的团队精神就明显的发挥了作用。相互学习，共同开发创新解决方案，并以最佳方式发挥每个合作伙伴的个人优势。对于 IDAM，这些是成功的关键。

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与ACAM增材制造中心德国专家以及ACAM U-LINK在中国的合作伙伴深入交流，敬请关注2022年9月14-16日深圳Formnext+PM South China展会期间的discover3Dprinting 3D打印发现之旅论坛。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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基于新的基础设施，现在可以在两个地点使用相同的零件经济高效地生产至少 50,000 个组件，并使用金属 3D 打印生产超过 10,000 个单独的零件和备品备件。RWTH亚琛工业大学DAP数字增材生产学院和Fraunhofer ILT亚琛弗劳恩霍夫激光研究所的科学家支持了该项目，特别是在流程链的数字自动化领域。

在2022年6月23日，在丰科世界孵化器联合南极熊3D打印网、中关村认同应用技术跨界创新联盟举办的“AM Forward—进一步推动我国增材制造发展”线上研讨会上，来自ACAM亚琛增材制造中心的科学家Jan Marvin Schaefer分享了宝马IDAM项目汽车零件3D打印自动化生产线的技术内涵。

宝马汽车的自动化金属3D打印生产线
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 首次将3D打印集成到汽车产线

将增材制造工业化和数字化，使其可用于汽车零部件的批量生产——这是 2019 年 IDAM 项目确定的目标。经过三年的密切合作，来自中小企业、大公司和研究机构组成的12 个项目合作伙伴宣布成功实施了这一项目。

宝马汽车的自动化增材制造生产线从一个概念开始，现在是一条全自动 AM 生产线，首次将金属 3D 打印集成到汽车行业的自动化系列工艺中，这揭示了汽车零部件增材制造的进一步潜力。

一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低一半以上。

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3D打印在汽车领域实现产业化面临着诸多的挑战，包括3D打印制造产品的最大尺寸，零件质量的一致性，适用于汽车行业的材料，满足汽车行业的制造效率，满足汽车行业的低成本挑战等，那么宝马汽车是如何实现3D打印领域的能力进阶的呢？

项目联盟中的12个合作伙伴中包括中小企业，这些中小企业通过其专业知识为宝马的增材制造生产线设计、提供和连接模块方面的支持。项目开发了各个工艺步骤之间接口的自动化，并开发了用于金属 3D 打印的系列化和模块化生产设施。其他模块化工艺组件，如粉末处理、监控和自动化后处理，也由中小企业开发。

Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务，还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

Jan Marvin Schaefer分享了宝马增材制造自动化生产线对破除当前增材制造困局的意义，长久以来，增材制造受制于高成本、高材料价格、高手动工作量、低生产效率、设备之间沟通不畅、端到端的质量保证缺乏一致性等等问题，这些制约因素导致增材制造很难进入到汽车的产业化全自动生产线的形态。

 全自动生产线也得益于开放矢量格式 (OVF)

在短短三年内，合作伙伴共同开发了一条能够在计算机控制下自行执行所有工作步骤的生产线。通过这种方式，组件可以自主设计、生产和返工。甚至使用的金属粉末也会自动回收。无人驾驶运输系统在生产线的各个模块之间移动原材料和最终产品，这些机器由一个中央控制单元协调，来自各个生产线模块的所有生产数据都在其中汇集。

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开放矢量格式为这一成功的数字化做出了重要贡献，这种新的数据格式用于可靠地生成和处理 LPBF 工艺的生产数据。在 IDAM 中用于组合来自不同制造商的流程链中不同程序或自动化子步骤的输出，并合并相应的数据。这为项目中开发的可扩展、模块化和自动链接的LPBF工艺链奠定了基础。

为了能够以最佳方式使用全自动生产线，RWTH亚琛工业大学数字化生产制造学院DAP开发了用于自动优化组件方向的软件模块。对要打印的组件的制造效率、持续时间和质量控制起着重要作用。此外，通过开发基于人工智能的算法，现场过程监控和数据评估得到了改进。在这里，OVF 也能够通过集成元数据来提供支持。

通过 OVF 链接数字和物理流程链，由于精简但信息丰富的数据格式，可实现稳健且高效的制造流程。借助这种标准化格式，可以显着减少将数据传输到工厂的手动工作，从而实现自动化。

 具有虚拟和增强现实的可扩展培训概念

除了自动化流程链之外，IDAM 还解决了增材制造创新培训概念的需求。在研讨会的基础上，项目开发了增强现实和虚拟现实培训。因此，专家现在可以在可扩展的环境中快速、交互地了解最新的增材制造。除了3D打印工艺本身，培训还涵盖了工艺链中的上游步骤，例如设计——特别是通过增材制造的设计自由度带来的新可能性。

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 项目合作伙伴的紧密协作和团队精神在成功中得到体现

项目的成功实施需要所有项目合作伙伴的专业知识，这是3D 打印领域实现数字化和自动化的唯一途径。根据宝马集团项目经理 Felix Haeckel ，从项目的第一天开始，合作伙伴之间的团队精神就明显的发挥了作用。相互学习，共同开发创新解决方案，并以最佳方式发挥每个合作伙伴的个人优势。对于 IDAM，这些是成功的关键。

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这项耗资2000万欧元的计划部分由德国联邦教育与研究部（BMBF）资助，12个合作伙伴包括：亚琛工业大学数字制造DAP学院、Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光技术研究所、慕尼黑工业大学金属成型和铸造学院、GKN粉末冶金，宝马集团，Aconity（美铝分拆出来的增材制造业务），Concept Reply，Myrenne，Intec，Kinexon Industries，Volkmann，Schmitz Spezialmaschinenbau。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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IDAM项目旨在为增材制造业进入汽车系列生产铺平道路，IDAM的目标是推动“汽车领域的增材制造（AM）技术的工业化和数字化”。在这个项目中，包括亚琛的Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学DAP数字增材制造学院，GKN等12个项目合作伙伴为可持续地加强德国的技术先锋地位做出持续努力，为德国在下一次工业革命中的制造强国地位奠定重要基石。

3D打印支架
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3D打印在汽车领域实现产业化的五大挑战
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 3D打印成本降低一半以上

3D打印在汽车领域实现产业化面临着诸多的挑战，包括3D打印制造产品的最大尺寸，零件质量的一致性，适用于汽车行业的材料，满足汽车行业的制造效率，满足汽车行业的低成本挑战等，那么宝马汽车是如何实现3D打印领域的能力进阶的呢？

根据3D科学谷的了解，宝马的IDAM项目的目标是建立两条生产线，一条在GKN在波恩的工厂，另一条在宝马集团在慕尼黑的工厂。项目的设计目标是通过自动化将人工活动从35% 减少到5%，3D打印金属零件成本降低一半以上，亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所 ILT 和亚琛工业大学数字增材生产 DAP 学院通过他们在增材制造技术领域的多年经验支持该项目。

两条模块化且几乎完全自动化的增材制造生产线在宝马波恩和宝马慕尼黑工厂建立。自动化物流小车集成在宝马增材制造生产线的设备之间，实现自动化运输3D打印机的移动成型仓。这些自动化设备由中央控制单元进行协调，生产线的各种生产数据在中央控制单元中交互，以确保最高的生产效率和质量。

根据3D科学谷的了解，项目联盟中的12个合作伙伴中包括中小企业，这些中小企业通过其专业知识为宝马的增材制造生产线设计、提供和连接模块方面的支持。项目开发了各个工艺步骤之间接口的自动化，并开发了用于金属 3D 打印的系列化和模块化生产设施。其他模块化工艺组件，如粉末处理、监控和自动化后处理，也由中小企业开发。

 建立数字架构

Fraunhofer ILT弗劳恩霍夫激光研究所，亚琛工业大学RWTH DAP数字增材制造学院这样的研究机构承担了过程控制、数字孪生和提高质量等任务，还制定行业标准并详细阐述与行业相关的质量特征。

IDAM项目合作伙伴
© BMW

通过这种跨学科合作，宝马汽车的IDAM 项目实现了能够全面检查汽车零件金属 3D 打印工艺，并在生产中可持续地加强这种能力。IDAM项目通过使用传感器在线监控3D打印过程来保证零件质量，使用CMOS相机和高温温度计来监控3D打印过程中的熔池，此外，还使用AI-人工智能算法进行3D打印过程质量控制。

在3D打印过程控制方面，根据3D科学谷的了解，德国亚琛的弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT目前能够通过 AI 显著改善金属 3D 打印的结果。在激光粉末床选区金属熔化 (LPBF) 工艺系统中，使用高分辨率 HDR 相机对每一层中的组件表面进行拍照。图像数据可以捕捉到两种影响：一方面，可以测量过程中组件可能发生的翘曲；另一方面，可以仔细检查表面的粗糙度。因此，可以在生产过程中对缺陷进行分类。

而在人工智能的帮助下，激光参数也可以在过程中进行特定的更改，以便对过程状态的变化做出动态反应。这提高了零件的质量，并在缺陷发生之前加以预防。

人工智能不仅使用户能够优化生产流程，实现零缺陷生产。根据ACAM亚琛增材制造中心，在具有大量复杂数据的过程中，例如现代光学的发展，人工智能也降低了复杂性。开发过程变得更加清晰、更加确定并且更少依赖于个别专家的直觉。

人工智能赋能3D打印
© 3D科学谷白皮书

宝马汽车的IDAM 项目自动化涵盖了从数字到物理组件制造一直到后处理的整个过程。由于生产线的模块化结构，单个模块可以适应不同的生产要求，并在必要时进行更换。此外，生产线是高度柔性的，工艺步骤可以灵活控制和利用。

数字标准和AM增材制造过程工艺链的IoT连接，覆盖整个增材制造过程的数字架构对于确保增材制造过程链模块之间的通信以及实现批量生产所需的可靠性至关重要。

 给数据“瘦身”

选区金属熔融3D打印-PBF工艺的加工过程是充满挑战的，通常来说，3D打印过程首先将给定的CAD模型转换为立体光刻（STL）格式的网格表示，然后将网格切成一系列平面轮廓，最后生成激光路径以填充这些轮廓。但是，当切片的三角形数量过多时，三角形的数量会变得非常庞大，处理如此大量的三角形将占用过多的计算机内存和时间，导致无法在计算机上正常运行。

由于这些原因，需要一种新的计算流水线来解决因处理PBF 3D打印技术在处理高度复杂的结构而引起的效率挑战。

简化数据量，同时增加激光粉末床熔化 (LPBF) 3D打印工艺的制造数据的数据大小：这是亚琛工业大学激光技术和数字增材生产 DAP 学院的科学家们与与弗劳恩霍夫激光技术研究所Fraunhofer ILT共同努力的结果。OVF被称为开放矢量格式，除了显着减少数据量外，还实现了零件设计的数据到生产工厂的高效传输。

OVF 的技术基础是广泛使用的序列化技术 Protocol Buffers（“Protobuf”），处理从复杂结构化数据对象到字节流的信息传输。例如，将信息存储在文件中或通过网络发送数据。使用 Protobuf 代码生成器基础架构可以为数十种编程语言和平台提供广泛的兼容性和支持。

OVF 在亚琛工业大学DAP学院参与的“汽车系列工艺增材制造的工业化和数字化”项目（ IDAM）中得到了有效的使用。

IDAM 使用 OVF 组合不同程序的输出或跨制造商的流程链上的自动化子步骤，并合并相应的数据。因此，它是可扩展、模块化和自动链接的激光粉末床熔化 (LPBF) 3D打印工艺生产概念的一部分，该概念是在项目中开发的，用于灵活控制和利用各个工艺步骤。

根据3D科学谷的了解，亚琛工业大学参与的“生产互联网” (IoP) 卓越集群项目也在使用 OVF。由于其开放性和语言独立性，可以动态生成单个扫描作业缺陷表面的后处理。使用这项基本技术，在该项目中开发了可以通过云中的数据分析支持的可控扫描仪。例如，在制造了一层之后，可以将表面的照片发送到数据中心。在那里，图像分析动态生成一个后处理 OVF 文件，其中包含有关曝光不足区域的信息。在下一步中，该文件被发送到扫描仪并完成必要的后处理。在此后处理之后，将继续当前活动的作业，或打印下一层。

 德国深厚的数字孪生技术造诣

根据3D科学谷的了解，德国亚琛的研究机构为宝马提供数字孪生方面的支持具备深厚的基础，德国亚琛园区运行着欧洲最大的5G研究网络，5G为制造业带来的革新价值是Networked, Adaptive Production-网络化自适应生产。从自适应生产的目标出发，欧洲5G园区的研发模块包括：用于监视和控制高度复杂制造过程的5G无线传感器，制造自适应：分布式制造控制与干预，区块链，边缘云计算，数字孪生体技术等。

在亚琛，基于5G网络，研究人员已经针对增材和减材制造和维修过程（例如铣削和激光金属沉积金属3D打印技术（LMD））建立过程仿真和过程链的重新配置。通过在过程中详细记录实际数据，可以通过优化的计划工具使数据一致性并确保计划的透明性。

随着3D打印进入到主流生产技术范畴，与其他传统加工工艺的无缝结合，数字化、自动化、自适应，将成为研究人员推动行业发展的开发方向与研究课题主线。

此外，可以通过所谓的并发设计将设计和流程结合在一起来使用人工智能。在此过程中，构建过程中获取的信息用于自适应地和持续地改进设计。设计改进可以有多个目标，包括减少构建过程中的残余应力、减轻重量以及提高某些出现缺陷的区域的强度。在这个领域有很大的创造和创新空间。由于数字化和计算机模型发挥如此重要作用，人工智能在3D打印中的应用变得非常重要。而5G技术的发展将进一步为人工智能的应用插上腾飞的翅膀。

由上可知，实现3D打印在汽车零件制造方面的自动化，需要克服的不仅仅是通过自动化物流小车衔接各个工艺的挑战，更多的是隐形的挑战，包括质量控制、数据处理、柔性生产等各方面的挑战。

总之，通过宝马的IDAM项目可以深刻的感受到3D打印以精微材料为起点、以数字化控制为手段，创造性地实现了在零件制造过程的同时在制备材料、制备材料的同时在制造零件，将传统上材料选择制备和工艺加工的串行过程转变为成性和成形的并行过程。更多信息，请参考《3D打印与第四次工业革命-第二版》。

知之既深，行之则远。基于全球范围内精湛的制造业专家智囊网络，3D科学谷为业界提供全球视角的增材与智能制造深度观察。有关增材制造领域的更多分析，请关注3D科学谷发布的白皮书系列。

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本期，3D科学谷与谷友通过宝马集团为新型劳斯莱斯Ghost所产业化的3D打印组件来领略未来已来的3D打印产业化。

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宝马集团将3D打印技术推向产业化

仿真提升设计与制造的自由度

根据来自德国慕尼黑宝马集团2020年12月3日的最新消息，宝马集团正朝着工业3D打印流程的系统集成迈出下一步。正如3D科学谷在《打造汽车3D打印产线，宝马牵头的IDAM计划发展情况如何？》一文中所提到的，宝马发起的IDAM旨在为增材制造业进入汽车应用的产业化批量生产铺平道路，并为德国在下一次工业革命中的制造强国地位奠定重要基石。

随着项目实施的开花结果，目前宝马已经获得了阶段性的成功。这主要包括将3D打印-增材制造技术用于车辆的开发和生产方面。宝马集团希望充分利用3D打印技术的优势-例如组件的快速可用性、实现创新设计和制造中的灵活性。

根据宝马集团生产整合和中试工厂负责人Daniel Schäfer，增材制造有助于宝马集团加快产品开发周期，从而使车辆开发更快地达到系列成熟度。借助3D打印，组件的生产时间也更短，同时可以满足高质量的要求。

 劳斯莱斯汽车的3D打印组件

自2020年年中以来，宝马集团一直在为新型劳斯莱斯Ghost（古斯特）车型通过3D打印-增材制造技术生产金属和塑料汽车零部件。这些零部件是沿着流程链在宝马全球生产网络中的不同位置制造的，并在英国古德伍德进行组装。该公司将在劳斯莱斯Ghost中安装数十万个3D打印-增材制造零件。

宝马集团为劳斯莱斯3D打印的组件。©BMW

这些组件位于车辆的车身和乘客舱中，功能强大且坚固。宝马集团已经在其位于慕尼黑的“增材制造园区”中调试了用于汽车批量生产的组件增材制造流程。在那里，塑料零件也使用了惠普的多射流喷射Multi Jet Fusion工艺制造。（延伸阅读：3D科学谷发布的《里程碑！宝马投资超1亿元的慕尼黑3D打印工厂启动》）

在兰茨胡特的宝马集团工厂，目前正在使用选区激光熔化工艺来制造金属组件。

宝马集团为劳斯莱斯提供的3D打印产品。©BMW

而在丁戈尔芬（Dingolfing）宝马集团工厂的工作网络中，有300多名经验丰富的员工制造劳斯莱斯汽车的各个车身，包括新型劳斯莱斯Ghost的车身，并为BMW Z8生产车身。

 使用创成式设计进行组件开发

即使在新的劳斯莱斯Ghost的开发初期，工程师、制造和材料专家也分析了数百个组件，并检查了使用3D打印-增材制造工艺制造的可行性。

这里的重点是：与传统方法相比，如何实现重量和几何形状方面的优势以及如何结合经济效益。在选择适合增材制造技术生产组件时，专家定义了3D打印组件的标准和要求，通过人工智能系统，该系统使BMW集团能够更快、更早地识别未来车辆中潜在的可通过3D打印来批量生产的组件。

宝马集团通过创成式设计加速产品迭代。BMW

通过使用创成式设计，借助计算机算法来设计零件，可以在很短的时间内创建复杂的形状，这对于工程师和设计师而言在以前几乎是不可能的依靠人工来完成的。创成式设计提供了人机交互的工作方式，专家和计算机一起设计组件，以便获得最优化的设计结果。

创成式设计使得许多潜在的应用变成现实，而3D打印技术特别适用于制造这些复杂的设计，这些设计在以前无法通过常规传统制造工艺生产出来。

使用创成式设计开发产品。©BMW

宝马集团为劳斯莱斯Ghost创建了经过拓扑优化的组件，这些组件的重量平均比传统组件少近50％，还可以充分利用车辆中的可用空间，一个典型示例是后挡板阻尼器的支架。

新的劳斯莱斯Ghost车型。©BMW

 宝马慕尼黑增材制造园区

自2020年6月以来，宝马投资1500万欧元（超1亿元人民币）的慕尼黑3D打印工厂正式启动，这奠定了宝马集团在汽车行业增材制造技术的领先地位。

在德国里程碑式的IDAM计划支持下，宝马慕尼黑的3D打印工厂还建设了模块化和几乎完全自动化的3D打印-增材制造生产线。增材制造生产线涵盖了从数字化设计到零件3D打印制造一直到后处理的整个过程。由于生产线的模块化结构，必要时可以升级换代，各个模块可以适应不同的生产要求，此外，可以灵活地控制工艺步骤。通过综合考虑融入汽车生产线的要求，项目合作伙伴计划将流程链中的手工部分从目前的约35％减少到不到5％。与此同时，3D打印金属零部件的单位成本应该减半。

IDAM计划每年通过3D打印制造的零件的总产量至少为50,000个系列零件，从而使宝马集团能够帮助加强德国作为3D打印先驱者的角色。IDAM计划的合作伙伴包括Fraunhofer和亚琛工业大学（ACAM研发团队成员），其他合作伙伴包括Aconity德国，GKN粉末冶金等。

ACAM总裁解释ACAM如何为复杂的增材制造导航， Schleifenbaum教授（同时是亚琛工业大学DAP学院院长）与Arntz博士（同时是Fraunhofer IPT生产制造研究所制造流程领导）
DAP学院与Fraunhofer为宝马集团发起的IDAM项目核心研发成员。ACAM亚琛增材制造中心

宝马集团目前在慕尼黑增材制造园区工作的员工达80名，大约50多台工业金属和塑料3D打印设备已经投入运营。此外，宝马在全球其他生产基地也投入使用了50多台工业3D打印系统。而根据3D科学谷的市场了解，SLM Solutions发布的配备了12台1千瓦的激光器和一个600x600x600毫米的成型舱室的最新SLM®3D打印设备-NXG XII 600，宝马集团是该设备的第一批交货用户。

更多3D打印在汽车领域的应用前景分析，请参阅3D科学谷发布的上篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》，下篇-《3D打印与新能源汽车白皮书》，《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0(上篇)》，《3D打印与换热器及散热器白皮书1.0（下篇）》，《铝金属3D打印白皮书1.0》，《不锈钢3D打印白皮书1.0》。

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