中国汽车技术研究中心孟宪明:汽车领域增材制造应用进展及趋势

3D打印直播
2020
08/24
16:59
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2020年8月20日-21日,中国增材制造产业发展芜湖(繁昌)高峰论坛暨2020年中国增材制造产业年会在安徽芜湖市举行,此次年会由工业和信息化部装备工业发展中心、安徽省经济和信息化厅、芜湖市人民政府指导,中国增材制造产业联盟主办,繁昌县人民政府协办,南极熊作为支持媒体对本次会议进行了直播。

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△中国汽车技术研究中心首席专家的孟宪明先生

在“中国增材制造产业发展芜湖(繁昌)高峰论坛”上,中国汽车技术研究中心首席专家的孟宪明先生发表主题演讲,题目是《汽车领域增材制造应用进展及趋势》,以下是本场演讲的现场速记,经大会组委会授权发布。
△视频:孟宪明《汽车领域增材制造应用进展及趋势》

孟宪明:尊敬的各位领导、各位专家、各位行业同仁大家下午好,我是来自中国汽车技术研究中心的孟宪明,今天很荣幸受邀为大家带来一个汽车领域增材制造应用进展及趋势的专题技术报告。

下面主要是基于汽车行业的内容给大家作一个普及和简短的汇报。大概分为以下几个方面:第一个方面增材制造数字化制造概述。

汽车行业的车身领域经历过不同的发展历程,比如车身在最原始是全钢车身一直到现在的宝马、奔驰以及日本企业也开发了一些多材料混合,比如钢铁车身。随着车身进一步发展,我们在车身设计领域更加体现一句话就是将合适的材料应用在合适的位置,用合适的工艺实现它的设计性能,合适的工艺就会体现到多种工艺,包括传统也包括现有的新型工艺其实就有增材制造领域,以及核心部件,后面我会有汽车行业的案例和大家分享。

在汽车行业追求四化有一个是追求轻量化,在轻量化有几种路径包括先进材料的应用、先进工艺以及先进设计方案,在轻量化的技术发展图谱上都是把材料用高强化、高韧化以及高强复合材料以及新金属的应用。这就涉及到怎么把材料用到合适的零部件,用什么工艺去解决?包括3D打印工艺,特殊的结构常规工艺是实现不了的,这就会为增材制造的领域带来很大的发展空间。

从设计工艺和材料匹配集成的角度,汽车行业分四大块:第一个是材料,我们怎么去选材?第二个是材料采用什么工艺制备出来?第三个是前期采用什么设计方法?设计方法最终体现的汽车作为民用产品涉及多方面的性能比如安全性能、疲劳耐受性能等性能,这些性能的约束使得我们对结构的设计越来越苛刻,也越来越具有挑战性,包括拓扑优化的方法就出来了,以及新兴的结构设计方法就出来了,这个时候要选择合适的材料实现这种结构,实现这种结构的方式核心就是工艺方法。工艺方法在过去的传统工业来讲,主要钢制车身可能就是冲压、焊接、涂装以及总装四大基本工艺,但是在新材料、新工艺开始越来越进入汽车领域,不同的创新零部件就出来了,比如我们现在应用一些碳纤维,现在应用的一些树脂材料,它可能会有3D打印技术,以及先进的RTM、CTM技术,这种技术带来的是工艺的革新,比如研制方式就发生彻底的改变,多材料车身焊接占有一部分比例,这个时候也是工艺带来汽车工艺的变化。在发展过程中,也为新的技术、新的工艺带来很多机会和挑战。

在轻量化整车开发技术中往往会用到一个技术手段就是拓扑优化,商飞的老总也说的在航空航天也用过这样的技术,我们要寻找最佳的路径,让这样的路径能够实现多性能的约束,使得零部件能够更好地装在汽车上。这个时候就有不同的部件形状,比如第五幅图展示的可能是很多连接方式在车桥上会有这样的部件,这样的部件怎么制作?现有的工艺可能是冲压、挤压,比如我们遇到这些细微的结构和不均的结构时传统工艺可能会受到挑战,这个时候用增材制造技术或者数字制造技术,我采用增材制造的方法进行平面制造,把这一平面进行提升,这就是体现增材制造的工艺独有特性和特点。

比如我现在展示的方式针对于工况拓扑优化汽车的骨架结构,在A柱上有传力结构,传统上用断面,把这个断面设计成比较好的理想闭环,采用不同的高钢或者高还的材料实现断面的结构,使得A柱能够有很牢的强度,在碰撞过程中不容易折弯。国外很多采用这种结构之后用了一种叫三维编织技术其实也是广义的3D打印技术,它把碳纤维用编制方法集成进来,这样车体可以做得很轻,而且对于部件的定制化来讲有很大的优势。

五个方面说一下为什么数字化适合我们行业发展的流程图。因为我们设计的时候先有概念设计阶段,再有工程开发阶段等等。刚才左处长提到把智能制造,把数字化的制造怎么能和增材制造工业结合在一起,其实在汽车行业设计来讲可以做无缝结合,因为本身用到就是数字化的工具,我们的性能验证在前期样车出来之前用到的是虚拟作汽车的钢度、强度,这个时候就可以把数据切入进来,包括我们的一些样车部件的制造,我们可以先把样车制造出来验证它的性能是否能够达到我们需要的性能。

在增材制造这一块,我分为两大块:一块是和研发密切相关的,另一块就是直接制造模具。研发制造可能分为几类:比如对一个部件技术系数,这个时候快速用3D打印的方式,优化造型车的特点。另外在有些零部件上在没有形成开模具之前基于图纸作一个快速制造,用一些试验方法评估这个零部件能不能达到我的性能约束条件,达到整车开发的要求,这都是为我们汽车行业的快速发展以及快速验证提供了很大的手段。后面是直接制造,现在新能源车很多时候是个性化的,特别是90后和95后这代人追求的是和别人不一样的有差异感的商品,这个时候增材制造在外造型上的设计,在快速开发上有独特优势,因为传统都是为大批量生产所服务的,这个时候它的优势也会显现出来。

第二部分简单介绍增材制造在国内汽车行业中的应用。第一部分是计算机辅助三维检测,另外一方面我们快速成型,包括发动机,包括引擎盖等等,以及方向盘和安全带卷收器等等。

第三个部分也是说一下增材制造在国外汽车行业中的应用。他们的应用案例比我们略多。这个是宾利的3D打印从轮胎到内饰件集成起来做一些迭代。宝马用的是FDM技术打印工装夹具以及方向盘,传统材料没有办法和它媲美的性能比如它的质量非常轻、非常耐用。另外一部分AMP使用3D打印技术作各种各样的配件,比如给悍马做的油箱盖。另外也做一些定制化的产品比如汽车的离合器还有验证阶段的试制产品。还有摩托车企业在定制化过程中包括PPP新材料做开发。以及汽车滤油器用在引擎上的PPSF材料,耐高温性以及强度都比较好。丰田将3D打印技术用于赛车发动机上。我们在国外的一些先进车展上也会有概念车型,用3D打印相关技术制造汽车,包括一些轻金属。

另外就是增材制造在汽车行业的发展趋势,这也是我自己的一点不成熟的看法。

第一个方面就是我们在汽车零部件个性化定制和维修经济上,部件有一些损害或者部件的更新上有部分是需要定制化的,定制化相对整车企业的批量化生产来讲它可能不能满足定制化需求,这个时候在做定制化后市场维护,以及做车型造型的改良时,3D打印技术快速和打印出来形状的独特性,以及各种材料的性能和价格的匹配性都可以进入到这个市场领域,因为这个市场相对体量比较大,它在整个汽车行业中也是很重要的关键后市场方向。

另外一个部分是2018年8月,一家意大利的著名电动车制造商就和3D打印Polymaker公司合作,打印了定制化汽车,包括智能化和网联化方面它的底盘是一体化的,但是车身是可以做到差异化,底盘可能共用一个底盘线,上午可能是一个公交车小巴士,下午很可能是一个物流车,整个车箱箱体是可以变化的,那定制化服务是完全可以用增材制造的方法去实现,这也是我觉得未来网联化的趋势,它不是针对某一台车,很可能是基于共享化和网联化的产品点。

最后一个方面是介绍中汽中心工程院在增材制造应用案例。

我们利用3D打印机做一些柔性、大型车的快速成形的模型,可以做到快速增长、快速制造、快速验证,我们也在一些核心部件上进行了一些尝试,包括新型的高性能用3D打印技术实现性能提升。

以上是我对在汽车行业案例的简单介绍,我感觉增材制造领域是很宽的,而且汽车领域也非常大,在汽车行业特别是高精尖的更加细致化开发、定制化开发时,增材制造的技术方向和我们的发展理念是非常契合的,所以增材制造的技术在汽车行业的应用,在未来大有可为。

以上是我的简短报告,非常感谢大家,谢谢!




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2020-8-27 09:31:14 | 显示全部楼层
汽车领域的应用,未来市场前景大
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