工業(yè)4.0改變的是制造體系，從數(shù)字化到智能化、從群體到個體、從制造為先到用戶需求為先，而3D打印在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用，改變的是制造方式。3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，其最突出的優(yōu)點是無需機械加工或模具，3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機來實現(xiàn)的。

在現(xiàn)代工業(yè)條件下，加工零件或者模型，都需要先制造一個模具。不過，制造模具的成本很高，如果不是大批量生產(chǎn)，并不值得開模。也可以采用另外一種加工方式，使用數(shù)控機床直接在毛坯料上加工，但是這個方法會浪費掉很多毛坯材料，不僅慢而且貴，加工費用以小時計算。3D打印通過逐層打印的方式來構(gòu)建物體，最終的成品是一層層積累起來的。無論造型多復(fù)雜的零件，對于3D打印來說，也是一層層平面，打印難度沒有任何區(qū)別。因此，對3D打印機來說，造型復(fù)雜的物體和最簡單的立方體、圓柱體是一樣的，材料會更節(jié)省。能夠方便快捷并精確地制造構(gòu)型復(fù)雜的物體，這正是3D打印技術(shù)的最大優(yōu)勢。而汽車恰恰是由許多造型復(fù)雜的高精度零件組成，可以將3D打印的優(yōu)勢發(fā)揮得淋漓盡致。使用3D打印技術(shù)，工程師在電腦上完成模型設(shè)計，設(shè)計人員只需幾分鐘就能獲得實體的打印模型，然后整個研發(fā)團隊的每個專業(yè)人員都可以在打印模型基礎(chǔ)上進行修改，并與團隊中其他人即時分享對設(shè)計方案的改進，實現(xiàn)“所見即所得”，大幅度提高汽車設(shè)計的效率。而且，3D打印可以快速制作出一系列具有細(xì)微差異的可測試零件來幫助開發(fā)出最合適的零件，以確保最后定型生產(chǎn)的是選用了最好的零部件。而由此帶來的好處，是提高了整個開發(fā)效率，縮短了上市周期，并降低了時間和成本。綜合來看，3D打印技術(shù)可以大幅度降低汽車開發(fā)和制造過程中的成本，提升工作效率，降低新車型新零件的開發(fā)時間，最終這些都會反應(yīng)到汽車的價格和品質(zhì)上。
3D打印在汽車工業(yè)的應(yīng)用
在2013年，第一輛3D打印汽車問世。美國設(shè)計公司KOR Ecologic、數(shù)字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作完成了混合動力汽車Urbee 2。這輛車并不是一輛簡單的擺設(shè)模型，而是可以上路的真正意義上的汽車。彼時，福特也在每個工作站配置了3D打印機，并規(guī)劃未來給每個工程師單獨配備一臺小型的3D打印機。2014年，柯尼塞格發(fā)布的新車One 1上使用了很多3D打印制造的零部件，包括風(fēng)道、排氣部件和渦輪增壓器等。2014年9月，美國洛克汽車（Local Motors）在芝加哥國際制造業(yè)技術(shù)展上，展出了一輛3D打印的雙門雙座敞篷小車Strati。整個制作工序在現(xiàn)場完成，共計耗時44小時。隨后，3D打印被更多汽車制造商與研究機構(gòu)用于汽車制造，也有汽車發(fā)燒友們在此啟發(fā)下自行通過3D打印技術(shù)打造自己專屬的汽車或汽車部件。加州一名工程師就利用3D打印制造了豐田發(fā)動機與變速箱。到了2016年，在底特律車展上，起亞展出了使用3D打印技術(shù)制造的Telluride概念汽車，也展現(xiàn)出了3D打印對于汽車行業(yè)的一個重要價值——推出概念車。自2016年開始，3D打印技術(shù)真正開始被汽車制造商和供應(yīng)商使用在實際的汽車生產(chǎn)過程中。
1.標(biāo)致雪鐵龍標(biāo)致雪鐵龍集團（以下簡稱PSA）在2016年9月與洛杉磯的3D打印公司Divergent簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議書，達成在金屬材料打印等方面的合作意向。戰(zhàn)略合作內(nèi)容包括為標(biāo)致雪鐵龍的車輛生產(chǎn)線研發(fā)3D打印的金屬覆蓋件，以實現(xiàn)整車結(jié)構(gòu)輕量化，降低其生產(chǎn)成本。PSA表示，此次合作將有效降低標(biāo)致雪鐵龍的整車與零部件生產(chǎn)成本。“應(yīng)用3D打印技術(shù)能夠大幅縮減生產(chǎn)工廠的規(guī)模，減輕整車重量并降低生產(chǎn)的復(fù)雜程度，同時也能給我們的產(chǎn)品設(shè)計增添無限的靈活空間?！睒?biāo)致雪鐵龍集團CEO唐唯實 （Carlos Tavares）在一項聲明中表示，但卻并未提及這項合作對其生產(chǎn)崗位數(shù)量的影響。Divergent公司稱其已經(jīng)研究出一套與3D打印技術(shù)配套的軟硬件平臺，通過該平臺可以大幅優(yōu)化整車設(shè)計過程，并能夠輕松打印出復(fù)雜的汽車部件。PSA在唐唯實執(zhí)掌期間，已經(jīng)在大幅削減生產(chǎn)成本，同時將車輛研發(fā)外包給專業(yè)的第三方公司，如研發(fā)中心坐落于摩洛哥的亞創(chuàng)工程（Altran）。PSA表示，合作初期將在Divergent公司位于法國巴黎附近的Velizy研發(fā)中心進行試制，下一步將嘗試汽車零部件的3D打印與裝配，最終目標(biāo)是利用該技術(shù)打印出“完整的車體結(jié)構(gòu)”。
2.戴姆勒2016年7月，戴姆勒表示將從9月份開始使用3D打印技術(shù)來為梅賽德斯-奔馳旗下的卡車生產(chǎn)塑料配件。與福特一樣，戴姆勒也是首批研究3D打印技術(shù)的汽車制造商之一。早在2012年，戴姆勒就希望3D打印機能夠取代一些昂貴的制造技術(shù)，并購入一臺大尺寸的金屬3D打印機。奔馳卡車的配件是在德國生產(chǎn)，然后運往世界各地。塑料配件在應(yīng)用3D打印技術(shù)之后，則可以實現(xiàn)零部件的本地化生產(chǎn)。據(jù)了解，戴姆勒的主要目標(biāo)是利用3D打印來生產(chǎn)彈簧毛、電纜導(dǎo)管、夾子、支撐元件與控制元件等。
3.本田根據(jù)日經(jīng)社報道，2016年10月，本田公開展示了一輛由3D打印機制造的小型純電動車MC-β。這輛車從外觀設(shè)計到制造只花了兩個月時間。3D打印的MC-β與此前概念車有所不同，從雙座變?yōu)閱巫?，另外一個座位改成了行李艙。據(jù)本田介紹，之所以考慮3D打印的方式進行設(shè)計生產(chǎn)，是因為他們發(fā)現(xiàn)人們對小型EV要求較多，單一的規(guī)格無法滿足用戶多樣化的需求，按照現(xiàn)在的生產(chǎn)方式很難支持多品種小批量生產(chǎn)。這輛車沒有采用在汽車開發(fā)設(shè)計中占主流的“單體車身”——將車身與骨架設(shè)計為一體，而是將車身與骨架分開設(shè)計，僅靠骨架部分實現(xiàn)足夠的碰撞安全性能。車身外裝與碰撞安全性能無關(guān)，因此可以使用3D打印機自由地設(shè)計車身外型。
4.寶馬2017年初，BMW i Ventures宣布投資3D打印技術(shù)公司Desktop Metal。Desktop Metal位于美國馬薩諸塞州，其首款產(chǎn)品將很快在市場上投放。這不是寶馬第一次在3D打印領(lǐng)域進行投資，此前還投資了一家采用光化學(xué)工藝打印塑料部件的Carbon3D。寶馬也計劃在制造工藝中使用3D打印的技術(shù)，并且不僅限于原型車，也會使用到量產(chǎn)車上。通過3D打印技術(shù)，該企業(yè)計劃為用戶提供定制化服務(wù)。
5.洛克汽車洛克汽車一直是3D打印技術(shù)的重要支持者。在2016年，洛克汽車與貿(mào)澤電子公司（Mouser Electronics）發(fā)起了一項名為Essenceof Autonomy Challenge的設(shè)計大賽。參賽者可以在洛克的3D打印汽車基礎(chǔ)上發(fā)揮想象，進行重新設(shè)計，并被要求賦予其電子功能，符合自動駕駛的需求。設(shè)計的原型車是Strati，最終一款名為Fly-Mode（飛行模式）的設(shè)計作品贏得了比賽。Fly-Mode在駕駛艙中融入了飛機的元素，并結(jié)合無人機技術(shù)來實現(xiàn)自動駕駛。無人機將會受命飛出探查交通狀況，并將數(shù)據(jù)傳回到汽車上，汽車根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)來進行行駛決策。無人機探測的畫面也可以實時在汽車屏幕上顯示。
可實現(xiàn)定制化生產(chǎn)，但談顛覆還為時尚早
采用3D打印技術(shù)可以降低小批量零部件的生產(chǎn)成本，汽車制造商可以嘗試各種各樣復(fù)雜的設(shè)計，快速生產(chǎn)并測試原型車零部件。未來伴隨著材料技術(shù)的進步和成熟，3D打印制造的產(chǎn)品也將有可能直接滿足整車的強度需求，進而加強和提升3D打印技術(shù)在整車上的使用。3D打印帶來的技術(shù)革新，將會降低制造業(yè)的進入門檻，讓沒有工廠與生產(chǎn)設(shè)備的個人也可以參與到制造業(yè)中來，正如前面提到的汽車發(fā)燒友所做的一樣。而制造業(yè)門檻的降低，則意味著商業(yè)模式將會產(chǎn)生巨大變化。未來3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用前景會非常廣泛，并且會涵蓋批量生產(chǎn)以外的所有領(lǐng)域，例如個性化車型的定制、改裝等。當(dāng)然，最主要的應(yīng)用價值還是在設(shè)計和某些制造環(huán)節(jié)，例如打印“油泥模型”、打印概念車、打印模具、打印定制選裝部件等。它所帶來的結(jié)果，一個是車型設(shè)計的多樣化、衍生車型的增多，另一個是車型更新速度的加快。而更直觀、更給力的，是造型上的個性化。日本汽車制造商Copen就曾推出過一款3D打印的汽車外殼，可以接受各種創(chuàng)意定制，打印出不同形狀、不同圖案的外殼。Copen表示大部分汽車零部件能夠通過3D打印制造，且可以成功通過相關(guān)測試。然而無論3D打印如何發(fā)展，也不可能應(yīng)用在整車的批量化生產(chǎn)上。這就好比打印技術(shù)永遠(yuǎn)不可能替代印刷技術(shù)一樣。
3D打印能夠最大限度發(fā)揮自身優(yōu)勢的地方，在于個性化
在追求實現(xiàn)自我價值的當(dāng)今社會，人們對個性化的事物更感興趣，通常會不遺余力地表現(xiàn)自己對事物外在形式的感受，展示自己良好的品味，還會為此付出強大的購買力。人們會按照自我喜好聘請設(shè)計師進行房屋裝修的個性化設(shè)計，也會將自己的辦公區(qū)域裝扮的獨具匠心，甚至還可以在網(wǎng)上定制自己的專屬休閑裝飾品。汽車的個性化有所不同。畢竟，很難想象，像房屋的裝修設(shè)計一樣，人們走進一家經(jīng)銷商店，與設(shè)計師暢談自己對汽車的想法，然后請設(shè)計師用CAD軟件制作效果圖，最后用一個巨大的3D打印機將汽車制作出來。要知道一輛現(xiàn)代汽車擁有超過兩萬個互相獨立的部件協(xié)同工作，經(jīng)過設(shè)計精密而高效的流水線組裝而成。這些流水線的每一個步驟功能單一，目的明確，輔之以人工對生產(chǎn)過程的監(jiān)測與維護。要想通過3D打印技術(shù)取而代之，需要付出極大的努力去探索技術(shù)，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝流程的置換和替代。 不同種類的車身零部件往往由不同材料制成，有著各自的外形特征和材料屬性，由此可以推知使用3D打印實現(xiàn)整車生產(chǎn)工藝程序的復(fù)雜程度。更何況還有行車電腦和電氣系統(tǒng)、發(fā)動機、蓄電池等更加復(fù)雜的控制及動力、儲能部件?，F(xiàn)實情況是，現(xiàn)代汽車裝配流水線一次可以組裝數(shù)百輛汽車，而3D打印技術(shù)在可預(yù)測的未來尚不具備打印完整汽車的能力。 再加上，由于缺少必要技術(shù)支撐與設(shè)計需求，以及安全法規(guī)的缺失，大規(guī)模實現(xiàn)汽車的完全個性化設(shè)計制造在未來數(shù)十年內(nèi)甚至更遠(yuǎn)的時間內(nèi)都不具有現(xiàn)實性和可實踐性。因而3D打印的個性化特征是體現(xiàn)在局部上的，就像前面提到的日本Copen公司提出的產(chǎn)品概念一樣。車身外殼本身構(gòu)造簡單，而其他更為復(fù)雜的零件，比如車內(nèi)空調(diào)等，預(yù)計至少要在數(shù)十年后才能實現(xiàn)自動化一體加工制造。當(dāng)然，這樣的個性化也面臨著一個必須解決的問題：生產(chǎn)規(guī)模。以保險杠為例，打印保險杠需要使用大型3D打印機，成本非常高。當(dāng)然，隨著技術(shù)的發(fā)展，其成本降低的速度將會比預(yù)計的要快。但這種導(dǎo)致規(guī)模成本降低的生產(chǎn)工藝尚需時日去逐步累積和完善。業(yè)內(nèi)關(guān)于3D打印的另外一種想法，是做加法。用戶可以選定一款標(biāo)準(zhǔn)車體，然后在其上添加各種個性定制的車身部件。而廠商只需要開發(fā)一款CAD軟件，幫助用戶向選定的車體底盤上添加部件，但是出于安全考慮，已選定的標(biāo)準(zhǔn)車體部分不能減少或更改。而且這種軟件應(yīng)該可以進行仿真風(fēng)洞試驗，用于測試定制成品的風(fēng)阻水平，并自動確保車身部件如發(fā)動機蓋、車門、油箱蓋、車窗等能夠正常開合，同時輔助添加雨刮器、后視鏡、天窗等部件。因為3D打印所用材料普遍輕于傳統(tǒng)材料，因此亦有業(yè)務(wù)人士認(rèn)為其所帶來的輕量化效應(yīng)將更有意義。不過，這種輕量化也將帶來新的安全隱患，車企需要考慮的是開放給用戶的自由度，如果開放自由度過高，那么車輛的安全性能將無法保障。材料創(chuàng)新，是3D打印技術(shù)為汽車設(shè)計和制造領(lǐng)域帶來的另一個改變。在對材料技術(shù)高度依賴的航天工業(yè)領(lǐng)域，這一改變已經(jīng)開始。航天工業(yè)對產(chǎn)品每個組成單元的體積和重量都要精細(xì)設(shè)計，所以利用3D打印技術(shù)進行設(shè)計與制造已經(jīng)開始了小批量規(guī)?；瘧?yīng)用。反觀汽車領(lǐng)域，相對于每年產(chǎn)出的汽車數(shù)量，航天領(lǐng)域每年制造的飛行器數(shù)量要少很多，3D打印新技術(shù)在汽車領(lǐng)域的利用率總體而言可謂微乎其微。未來鋁合金在汽車材質(zhì)中將占有越來越高的比重，盡管目前受限于制造工藝與成本問題，應(yīng)用規(guī)模還較小。隨著3D打印技術(shù)推動的材料工程科技突破和創(chuàng)新，包括鋁、碳纖維等在內(nèi)的新型材料將在車輛輕量化發(fā)展趨勢中起到舉足輕重的作用。有人認(rèn)為廠商控制下的規(guī)模成品供應(yīng)服務(wù)限制了3D打印個性定制的創(chuàng)造性和廣闊的市場機遇，但按照多數(shù)設(shè)計行業(yè)人士的觀點，一般消費者很難真正搞清楚自己的需求是什么，更不要提他們中的大部分人有否能力為自己設(shè)計出達到功能要求并符合安全標(biāo)準(zhǔn)的定制產(chǎn)品是一件十分存疑的問題。“設(shè)計工作還是要讓專業(yè)設(shè)計師去完成”是業(yè)界普遍認(rèn)同的底線。對于消費者來說，最關(guān)心的，是自己的功能選擇是否能夠被實現(xiàn)，而并非技術(shù)細(xì)節(jié)。3D打印還將影響的領(lǐng)域是汽車維修，隨著3D打印的普及，維修成本可能會得到降低。試想一下人們到經(jīng)銷商處更換愛車車燈，發(fā)現(xiàn)原來整個車身都可以現(xiàn)場3D打印，從而不再需要倉庫來存放配件，自然降低了零配件的采購、儲運和供應(yīng)成本。零配件提供商也可以按照需求來生產(chǎn)產(chǎn)品，從而大幅降低可能需求配件的種類和數(shù)量。而傳統(tǒng)汽車制造商也會慢慢意識到3D打印技術(shù)的好處，逐漸用3D打印材料替代昂貴和珍惜的金屬材料，推動汽車制造材料應(yīng)用上的更新?lián)Q代和突破創(chuàng)新。