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。

3D打印是一种带有鲜明数字化特征的技术，这意味着增材制造能够改变产品的生产方式是本质性的，不仅可以实现个性化，还可以实现功能化导向的制造。

通用汽车3D打印汽车组件
© 通用汽车

无疑，3D打印要成为一种主流的制造技术之一，必须要在制造业主赛道汽车零件制造领域“站稳脚跟”，而3D打印在汽车领域的应用要实现落地，存在着多方面的挑战，这一点，3D科学谷在《3D打印产业化机遇与挑战白皮书》中有过详细的剖析。汽车行业需要利用增材制造的具体优势来提升产品设计，但是当谈到用于经济性的生产，以便将产量从小批量的十几个增加到至少每年100万个。在行业能够打破这个百万产能障碍之前，3D打印对于进入到汽车的生产线方面很容易陷入到“死胡同”发展状态。

汽车3D打印路线图
© 3D科学谷白皮书

然而，相比于经济型汽车的量产规模来说，豪华车的制造需求却成为3D打印突破汽车零件制造方面“死胡同”发展状态的绝佳“破冰”点。

通用汽车的豪华车是其实践3D打印产业化的绝佳“落脚点”，根据TCT亚洲展的报道，早在2021年，凯迪拉克就宣布CT4-V Blackwing和CT5-V Blackwing将成为通用汽车首批采用3D打印部件的量产车。这些部件包括手动换挡旋钮上的一个徽章、一个电线束支架和两个HVAC管道，均以降低成本和提高效率的方式生产。这对通用汽车来说是一个重要的里程碑，借着豪华汽车的“破冰点”，通用汽车希望加快3D打印终端部件的量产。

 敏捷创新

通用汽车转型的核心是成为一家敏捷的创新型公司，而3D打印将在这一过程中发挥至关重要的作用。3D打印是通用汽车“制造4.0”或“智能制造”的一部分，通用汽车定价34万美元的凯迪拉克 CELESTIQ，据称是“有史以来技术最先进的凯迪拉克”，被描述为“手工制作的全电动超豪华旗舰”汽车。 不仅如此，这辆车还包括一百多个 3D 打印生产组件。

未来工厂
© 3D科学谷白皮书

凯迪拉克CELESTIQ集成了115个金属和塑料3D打印零部件，包括金属激光粉末床熔融（LPBF）3D打印方向盘、3D打印车窗开关、把手、装饰件和结构安全带D型环。毫不奇怪，这款新型小批量汽车代表了通用汽车 3D 打印生产零件最广泛的集成。

虽然通用汽车在其业务中使用了多种增材制造工艺，但有一些特定工艺确实非常适合该公司的生产应用：金属粘结剂喷射、金属LPBF粉末床激光熔融3D打印以及惠普的Multi Jet Fusion多射流喷射增材制造工艺，这其中惠普是通用汽车全方位的合作伙伴。

惠普个性化与3D打印事业部全球总裁Didier Deltort表示，可持续性、数字化和个性化是增材制造的关键因素，使企业领导者决定规模化3D打印。这其中，你需要将不可能作为驱动力，解决制约3D打印产业化方面有关产品质量的两个关键挑战：Predictability（质量的可预测性）与Repeatability（质量的可重复性）。离开这两个关键点的解决方案，追求卖多少台设备是没有任何意义的。

 多样化的3D打印技术

l 粘结剂喷射3D打印技术

据3D科学谷了解，CELESTIQ 中的装饰金属部件主要是使用粘结剂喷射3D打印技术制成的，该技术使通用汽车能够获得更好的成本动态。

© 3D科学谷白皮书

通用汽车发现3D打印所替换制造的零件实际上是由许多不同组件组成的，3D打印实现的制造自由度能够重新设计该零件并将五个零件整合为一个零件。通用汽车使用的钢材非常坚固且致密，因此通过3D打印还能够集成一些空心特征以降低质量。简而言之，通用汽车在不断寻找他们最初没有想到的使用增材制造的方法来提高零件的性能和可制造性。

© 通用汽车

l 激光粉末床金属熔融3D打印技术

CELESTIQ方向盘采用激光粉末床金属熔融3D打印技术制成，通用汽车选择使用这种工艺是因为激光粉末床金属熔融3D打印技术的尺寸保真度和尺寸容量。这些方向盘零件尺寸比较大，当前激光粉末床金属熔融3D打印技术（ LPBF技术）可以轻松满足零件尺寸加工的需求。此外，LPBF技术实现通用汽车所需的组件保真度， 方向盘背面具有各个不同方向的特征，3D打印节约了制作模具的成本。

l 塑料3D打印技术

在塑料增材制造方面，通用汽车发现如果3D打印构建室对于零件来说太小，那么就必须进入二次加工，例如装配，从尺寸角度和联合性能角度以及视觉质量角度来看，这会带来许多不同的挑战。当然后处理的需求也是金属增材制造的一个挑战。对于通用汽车来说，3D打印还必须在后处理方面做大量的工作。如今市场上有标准解决方案，但增加了成本并延长了物流链，这明显削弱了增材制造的优势，因此通用汽车也一直在寻找更好的解决方案。

l 砂型3D打印

在砂型3D打印结合铸造方面，通用汽车收购了 Tooling & Equipment International (TEI)，该公司负责帮助特斯拉开发“Giga Casting”技术，TEI常年与3D打印领域的voxeljet-维捷合作，还开发了用于生产单件大型车身零件的3D砂打印方法。

根据3D科学谷，随着3D打印与铸造的结合，铸造作为产品“诞生”的“源头”，其决定产品核心竞争力的价值将显现，这个行业不再被误读为“傻大笨粗”，而是成为企业发展核心竞争力的体现，因为3D打印可以从源头决定一个产品的创新程度，很多大型企业将改变将铸造外包给铸造厂的模式，而是将铸造将作为核心关键的一环纳入到企业内部的生产运营中，这个过程中或将发生铸造厂被并购的现象。

TEI擅长低压铸造，低压铸造是指铸型一般安置在密封的坩埚上方，坩埚中通入压缩空气，在熔融金属的表面上造成低压力（0.06～0.15MPa），使金属液由升液管上升填充铸型和控制凝固的铸造方法。这种铸造方法补缩好，铸件组织致密，容易铸造出大型薄壁复杂的铸件，无需冒口，金属收得率达95%。无污染，易实现自动化。但设备费用较高，生产效率较低。一般用于铸造有色合金。

当然，低压铸造是一门由来已久的技术，低压铸造是最早的反重力铸造技术，如今，低压铸造主要用于生产销合金、镁合金件，如汽车工业的汽车轮毂、内燃发动机的气缸体、气缸盖、活塞、导弹外壳、叶轮、导风轮等形状复杂、质量要求高的铸件。

通用汽车收购 TEI 表明其致力于以更经济、更高效的方式制造汽车。此举出台之际，特斯拉正计划推出一款售价 25,000 美元的电动汽车 (EV)，并计划在未来十年内生产数百万辆价格实惠的电动汽车。随着 TEI 被通用汽车收购，特斯拉将更多地依赖其在英国、德国的其他砂型3D打印铸造合作伙伴。

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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3D打印的HVAC管道©GM

拉近与未来的距离

凯迪拉克黑翼车型CT4-V Blackwing和CT5-V Blackwing是通用汽车生产的第一款采用3D打印技术的汽车，3D打印技术主要应用在手动档上的徽标、电气线束支架和两个HVAC管道。在新的凯迪拉克Blackwing V系列车型上，通过3D打印制成了两个HVAC导管和一个接线支架，增材制造的设计使铝线架的生产特别有效。

 更经济的3D打印

凯迪拉克Blackwing V系列汽车是有史以来推出的功能最强大的凯迪拉克车型，按照官方的说法，Blackwing系列定位是凯迪拉克的顶级性能车，对标的是宝马的M Power；而V系列则是对标宝马M Performance系列。Blackwing V系列也是首批在生产规模上使用AM-增材制造技术的通用汽车。每个V系列型号的手动变速器版本均具有通过3D打印制成的三个功能组件，而AM-增材制造则在每种情况下都闪现出了AM的特点，为通用汽车提供了制造这些零件提供了最具成本效益的途径。

在3D科学谷看来，与3D打印某些零件所实现的最具成本效益的工艺相比，通用汽车通过在高端系列批量使用3D打印技术的意义在于：可以利用其在这方面的经验为进一步扩展3D打印技术应用的这一天做准备，将来通过这种方法制造更多的生产零件。

Blackwing型号上的3D打印部件是：2条尼龙12 HVAC导管，一条用于后座舱，一条用于汽车的电话充电器，两者均通过HP的Multi Jet Fusion工艺制成。加上由激光粉末床融化制成的铝制支架，用于将线束固定到手动变速器的主体上。第四个3D打印部件，即汽车变速杆上的纪念章，是为了展示而不是用于功能件用途，但展示的内容很重要。铝制零件是通过粘结剂喷射3D打印技术制成的，并且保留了3D打印的一些分层纹理，以自豪地标志着通用汽车进入AM-增材制造用于生产领域的汽车业先驱地位。

3D打印的纪念章©GM

根据3D科学谷的了解，3D打印的纪念章还具有看不见的导电鳍片，可防止其在炎热的夏天变得太热而无法触摸，此外3D打印的几何形状也易于组装。

 增材思维-DfAM

在所有这些3D打印零部件中，目前接线支架证明AM-增材制造可能实现的转换方面走得最远。这部分的工艺和材料都发生了重大变化。最初，接线支架零件设计为钣金冲压件。而通过增材制造取消冲压工具使得制造的成本降低，而以增材制造（DFAM）思维导向的设计使3D打印版本变得尽可能经济。

通过调整设计，接线支架可以消除对热处理的需要，这仅仅是简化流程的开始，进一步的还消除了：机械加工。根据3D科学谷的深入了解尽管CNC加工是与增材制造相结合的金属零件常见加工方法，但DFAM的考虑因素使得通用汽车避免在此零件的生产中进行CNC加工。原本钻有孔的水滴形状可以精确地进行3D打印而不是进行机械加工，圆锥形的支撑结构仅与零件细微地连接，因此可以用手将这些支撑断开，因此无需进行CNC机械加工即可移除支撑结构。

通用汽车希望AM-增材制造在汽车制造中发挥更大的作用以用于未来的生产。通用汽车在密歇根州沃伦的通用汽车技术中心开设了增材制造工业化中心。在这里开发3D打印的生产零件，并将在此处制造3D打印模具、夹具以支持已建立的制造流程。

更多信息，请参考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》

l 关于全球增材制造技术与市场发展趋势洞察，欢迎参加2021年5月27日国家会展中心（7.1号馆）举办的TCT亚洲3D打印、增材制造展览会期间3D科学谷创始人Kitty关于《全球增材制造市场技术趋势、市场概况及发展预测，中国市场典型产业化应用》的主题分享。

l 文章来源：3D科学谷内容团队

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根据通用汽车，在开发包括替代推进和零排放在内的新汽车产品时，增材制造和创成式设计是“关键技术”，Autodesk的创成式设计软件将使通用汽车超越传统设计所难以实现的重量减轻目标。

创成式设计通过工程师定义设计参数，如材料、尺寸、重量、强度、制造方法和成本约束，然后基于算法输出符合这些标准的多个设计选项。

然后设计师和工程师可以检查每个选项并选择最符合其规定要求的设计。通过立即自动生成许多不同的设计，创成式设计软件可以使设计人员和工程师免于重复性设计任务，并使他们专注于更高价值的决策选择，包括最大限度地提高零件性能。

在最初的概念验证项目中，通用汽车和欧特克在通用汽车密歇根州沃伦技术中心重新设计了汽车座椅支架 – 座椅安全带固定部位。

一旦确定了设计参数（包括所需的连接点，强度和质量），欧特克的软件就产生了超过150种有效的设计选项，新设计比原来的部件轻40％，强20％，并将八个不同的部件整合到一个增材制造部件中。

通过座椅支架的减重揭示了3D打印对于零件潜在质量和强度改进的潜力。或许凭借这项技术，我们将进入一个电动和自动驾驶汽车时代的深远变革。

当然，3D打印对于通用汽车来说并非是新鲜事物，通用汽车已使用增材制造用于产品开发三十多年，并且在过去的十年中使用3D打印技术生产了超过250,000个原型。

而关于通用汽车和欧特克的合作，两家公司表示他们将开展涉及创成式设计、增材制造和材料科学的深入合作。通用汽车将继续使用一系列欧特克设计软件，包括用于访问其创成式设计技术的Fusion 360 Ultimate软件包，用于晶格优化和金属增材制造模拟的Autodesk Netfabb，以及该公司的Alias，Recap Pro和Meshmixer等软件。

根据欧特克制造和建筑产品高级副总裁Scott Reese，从创成式设计中所获得的好处远不止轻量化，创成式设计与3D打印技术的结合将原来的许多零部件合并为一体，并且能够显着压缩产品开发过程。工程师可以获得数百个可供制造的设计选项，这些选项是他们无法手动设计的，而且只需要花费一小部分时间来验证单一设计，结构一体化带来供应链的压缩和组装成本的降低。

关于电动车制造的增材与减材技术，3D科学谷正在与中国3D打印文化博物馆合作，携手德国Fraunhofer研究机构、盖世汽车中国研究院以及国内外汽车增材制造领域的专家在2018年6月1日上海举办AME(additive manufacturing excellence)3D打印卓越论坛系列之聚焦新能源汽车，敬请关注后续活动详细信息。

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