揭秘如何3D打印汽车“Strati”

美国Local Motors公司与美国橡树岭国家实验室(ORNL)等联合开发出了3D打印汽车“Strati”。截至2015年2月已通过造型手段制造了4辆，其中两辆是可实际行驶的电动汽车(EV)。

该公司以2015年底为目标计划上市3D打印汽车。首先将上市最高时速35英里/小时(约50km/小时)、续航距离约80英里(130km)的“低速款”版本。价格为1.8万～3万美元。常驻ORNL的美国Local Motors公司高级制造工程师James Earle表示，计划在2016年底之前上市“实现高速公路行驶，并使续航距离倍增”的3D打印汽车。除了EV之外，还计划开发发动机汽车的3D打印车，“将研究隔热构造”。

Strati的研发基地位于ORNL内的“制造示范基地(Manufacturing Demonstration Facility，MDF)”(田纳西州诺克斯维尔，图1)。该3D打印车“工厂”设有大型3D打印机、用于打磨造型品表面的5轴切削加工机，以及组装场地(图2)。现场没有输送带及手推车之类的任何搬运装置。从3D打印机上卸下来，再装到5轴加工机上时，“用叉车抬一下就行了”。

用3D打印机造型的Strati的车身重约550kg。普通汽车的骨架、车门、发动机罩及内装部件合起来约有400kg左右，与之相比较重。

图1：位于美国橡树岭国家实验室制造示范基地内的3D打印车开发基地。美国Local Motors公司的技术人员(高级制造工程师James Earle)常驻此地，共同推进研发。

图2：制造3D打印车时需要的设备(a)为ORNL内的3D打印机。属于研发机型，相当于美国Cincinnati公司制造的“BAAM”的前身。(b)为精加工用途的5轴加工机。

EV常用的2万个部件被减至50个以下

目前的“工厂”就是研发设施内部被称为MDF的地方，不过Local Motors公司预定在2015年内运用与ORNL的共同研究成果在附近设立小型工厂“微工厂”，开展3D打印车的商务运作。该微工厂所需要的设备也不会有很大不同。

工厂小的最大原因是需要的部件数量减少到了1/400左右。EV的部件数量通常约2万个，而Strati目前不到50个。Local Motors公司用3D打印机制造车身及底盘等部件，与已有汽车比较，这些部件每一个都相当于将至少数百个部件集为一体。

普通汽车的车身和底盘，为了实现在确保强度的同时吸收碰撞能量的构造，大多利用由钢板冲压成型的多个部件经焊接等工艺组装成骨架。而且外板也是通过冲压成型制成顺滑曲面的独立部件。而3D打印车不同，通过充分利用造型上的高自由度，“连吸收碰撞冲击的构造也被纳入了一个部件的内部”，Earle介绍道。因此，现行汽车的车身组装生产线工序只用一台3D打印机便可包办。

这里最关键的是，要用树脂制造的造型品来确保充分的强度。“凭借目前使用的、以20%比例添加碳纤维来强化的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)，就足以满足要求”。同时，公司目前还在做其他尝试，比如将纤维改为可实现带色车身的玻璃纤维，以及将聚合物改为PPS(聚苯硫醚)、PEEK(聚醚醚酮)等。Local Motors公司力争2015年内达到美国的法规要求，启动公路行驶试验。

诞生Strati的大型3D打印机“BAAM(Big Area Additive Manufacturing)”目前拥有约4.0×2.0×0.9m的造型范围(图3)。由ORNL开发，由机床厂商美国Cincinnati公司制造。“今后还有望用3D打印机来实现电机及悬挂的造型。而且还可考虑组合使用多种材料，比如利用比车身柔软的材料对保险杠部实施造型”。

图3：3D打印机“BAAM”

由喷嘴喷出熔融树脂的热熔解积层方式的3D打印机。拥有4.0×2.0×0.9m的造型范围。使用碳纤维强化ABS时，1小时可喷出多达16kg的材料。照片由Local Motors公司提供。

整个车由粗约8mm的喷嘴喷出熔融树脂来造型。喷嘴的每秒移动距离为76mm，积层厚度为4mm。还有将造形范围扩大至6.1×2.4×1.8m的机器。ORNL利用相同的装置制造了造型与老爷车“Shelby Cobra”相同的EV，并在2015年1月举行的“North American International Auto Show(底特律车展)”上展出。

5轴加工机用于对造型后的车身实施追加加工。之所以要使用该加工机，主要是因为组装部件的部位要提高形状精度。尤其是目前来看，作为采购部件的悬挂，其安装部位的形状需要高精度加工。

另外，在实现平滑的外观时也需要使用5轴加工机。虽然之后还可做涂装，但通过粘贴像公交广告招贴那样的贴膜，便可获得不亚于已有汽车的外观效果。这时与凃装相比，设备和工序都很简单。实际上，作为Local Motors公司目前的商品，越野车“Rally Fighter”就使用了贴膜，由此实现了每辆车都不同的颜色及花纹。

按照每个顾客的要求来改变造型设计

Strati用3D打印机造型的时间为44个小时，组装时间为24个小时。造型时间“将力争通过改进3D打印机缩短至10～12小时”。

与能够用数小时来组装的现有汽车相比，使用3D打印时每辆车的生产耗时较长。但“Local Motors公司并不想制造大量生产的汽车。而是以少量生产贴合顾客个性需求的汽车为目标”。因此，与生产及组装所需要的时间相比，该公司更重视缩短从确定造型设计到产品完成的时间。

Strati的最新试制车在2014年12月初确定造型设计，在2015年1月底完成，共花费了2个月时间(图4)。普通汽车从确定造型设计，到之后制造模具等生产设备、建立生产体制，再到量产1号车完成，至少要花费10个月时间，但Strati要短得多。“今后将力争缩短到1周左右”。

图4：Strati造型设计的改进。可在短期内极细致地变更及调整造型设计，这也是3D打印车的特点。(a)为在IMTS(2014年9月)及底特律车展(2015年1月)上展出的Strati，(b)为之后变更造型设计的Strati。

今后，如果顾客“想要这样的汽车”，与Local Motors公司的工作人员商谈造型设计，并决定造型设计后，数周内便可交车。James Earle介绍，“到时不仅造型设计可根据顾客的要求做微细调整，而且还可改变汽车的尺寸，做大的变更”。

设立多个小型制造基地

Local Motors公司正如其公司名称一样，目标是在各个地区设立微工厂，在削减运输成本的同时以“地产地消”策略开发和生产产品。按照该公司的打算，这些微工厂不仅仅是单纯制造产品的基地，还将成为让顾客参与产品设计及造型设计的共同作业基地，乃至对制造出来的产品展开销售的基地。

截至2015年2月，Local Motors公司已在亚利桑那州菲尼克斯和内华达州拉斯维加斯设立了微工厂。并且，该公司还计划2015年内在靠近华盛顿哥伦比亚特区的马里兰州的商业设施国家海港(National Harbor)，以及前面提到的诺克斯维尔设立微工厂。另外，该公司已于2014年6月在诺克斯维尔的城市商业区开设门店，成为3D打印车的销售点。