只需一台3D打印机和一台机床就可以制造一辆汽车

美国Local Motors与橡树岭国家实验室（ORNL）等联合开发了3D打印汽车“Strati”。

截至今年2月，已经通过造型手段制造了四辆汽车，其中两辆是可以实际行驶的电动汽车（EV）。

该公司计划在今年年底推出一款 3D 打印汽车。

首先将推出最高时速35英里（约50公里/小时）、续航里程约80英里（公里）的“低速”版本。

价格从18,000美元到30,000美元不等。

常驻橡树岭国家实验室的美国 Local Motors 公司高管Earle表示，他计划在今年年底前推出一款 3D 打印汽车，“能够在高速公路上行驶，并使续航里程增加一倍”。

除了电动汽车外，还计划开发用于发动机汽车的3D打印汽车，并且“将研究隔热结构”。

Strati 的研发基地位于 ORNL 内的“制造示范设施 (MDF)”（田纳西州诺克斯维尔，图 1）。

3D打印汽车“工厂”配备了大型3D打印机、用于对成型品表面进行抛光的5轴切割机以及装配现场（图2）。

现场没有传送带或手推车。

当从3D打印机上卸下并安装到5轴加工机上时，“只需使用叉车将其抬起即可”。

Strati 的车身是用 3D 打印机建模的，重约 100 磅。

普通汽车的车架、车门、引擎盖和内饰件总重约1公斤，比较重。

图1：位于美国橡树岭国家实验室制造示范基地的3D打印汽车研发基地。

美国本土汽车公司技术人员（制造工程师高层、Earle）驻扎于此，共同推进研发。

图 2：制造 3D 打印汽车所需的设备 (a) 是 ORNL 内的 3D 打印机。

是研发型号，相当于美国辛辛那提公司制造的“BAAM”的前身。

(b) 用于精加工的 5 轴加工机。

电动汽车常用的2万个零部件已减少到50个以下。

目前的“工厂”是研发设施内所谓的MDF，但Local Motors计划利用与ORNL的联合研究成果，建立一个小型工厂“Micro “年内附近。

工厂”来进行3D打印汽车的业务运营。

微工厂所需的设备也不会有太大的不同。

工厂规模较小的最大原因是所需的零部件数量减少到约1/。

电动汽车通常具有大约 20,000 个零件，但 Strati 目前只有不到 50 个。

Local Motors 使用 3D 打印机来制造车身和底盘等零部件。

与现有汽车相比，这些零部件中的每一个都相当于至少将数百个零部件集成为一个。

为了实现吸收碰撞能量同时保证强度的结构，普通汽车的车身和底盘大多由钢板冲压而成的多个零件，通过焊接等工艺组装成车架。

而且，外面板也是一个独立的部件，通过冲压制成光滑的曲面。

但3D打印汽车则不同。

Earle说，通过充分利用建模的高自由度，“甚至吸收碰撞冲击的结构也被纳入到部件的内部”。

因此，目前的汽车车身装配线流程只需一台3D打印机即可完成。

这里最重要的是使用树脂制成的成型品以确保足够的强度。

“目前使用的20%碳纤维增强的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物（ABS）足以满足要求。

”同时，该公司目前正在做其他尝试，例如将纤维改为可实现彩色车身的玻璃纤维，将聚合物改为PPS（聚苯硫醚）、PEEK（聚醚醚酮）等。

Local Motors力求满足美国监管要求并在今年内开始道路驾驶测试。

催生Strati的大型3D打印机“BAAM（大面积增材制造）”目前的建模范围约为4.0×2.0×0.9m（图3）。

由ORNL开发，由美国机床制造商辛辛那提制造。

“未来，预计3D打印机将用于塑造电机和悬架。

此外，还可以考虑多种材料的组合，例如使用比车身更软的材料来塑造保险杠部分。

” 图3：3D打印机“BAAM”是一种采用热熔层压方法的3D打印机，从喷嘴喷射熔融树脂。

建模范围为4.0×2.0×0.9m。

当使用碳纤维增强ABS时，一小时内最多可喷射出16公斤的材料。

照片由本地汽车公司提供。

整个汽车是通过从约8毫米厚的喷嘴喷射熔融树脂而成型的。

喷嘴每秒移动距离为76mm，层压厚度为4mm。

还有一台机器将成型范围扩大到6.1×2.4×1.8m。

ORNL使用相同的设备制造了一款与经典汽车“谢尔比眼镜蛇”形状相同的电动汽车，并在今年1月的“北美国际车展（底特律车展）”上展出。

五轴加工机用于对成型体进行附加加工。

之所以采用这种加工机，主要是因为必须提高待装配零件的形状精度。

尤其是目前悬架的安装部分为外购件，其形状需要高精度加工。

此外，要实现光滑的外观，还需要五轴加工机。

虽然可以后期喷漆，但像公交车广告海报一样贴上薄膜，就可以实现不亚于现有汽车的外观。

此时的设备和工艺与喷漆相比都非常简单。

事实上，Local Motors目前的产品越野车“Rally Fighter”就使用了这种薄膜，让每辆车都有不同的颜色和图案。

根据每个客户的要求更改设计。

使用 3D 打印机制作 Strati 需要 44 小时，组装需要 24 小时。

“我们将努力通过改进3D打印机将建模时间缩短至10至12小时。

”与可以在数小时内组装的现有汽车相比，使用 3D 打印生产每辆车需要更长的时间。

但“Local Motors并不想制造大批量生产的汽车。

相反，它的目标是小批量生产汽车，以满足客户的个性化需求。

”因此，与生产组装所需的时间相比，该公司更注重缩短从确定造型设计到产品完成的时间。

Strati最新试制车的造型设计于今年12月初定型，今年1月底完成，总共耗时2个月（图4）。

一辆普通汽车从确定造型设计，然后制造模具等生产设备，建立生产体系，然后完成一号车的量产，至少需要10个月的时间，但Strati要短得多。

“未来我们会努力缩短到一周左右。

”图 4：Strati 造型设计的改进。

设计可以在短时间内非常仔细地改变和调整，这也是3D打印汽车的一个特点。

(a)是在IMTS（2020年9月）和底特律车展（2020年1月）展出的Strati，(b)是随后造型发生变化的Strati。

从现在开始，如果客户“想要一辆这样的汽车”，他或她可以与Local Motors的工作人员讨论设计并决定设计，然后汽车就可以在几周内交付。

JamesEarle表示，“不仅可以根据客户的要求对造型设计进行微调，而且还可以改变汽车的尺寸，进行大的改变。

”建立多个小型制造基地 Local Motors，顾名思义，旨在在各地建立微型工厂，以“本地生产和消费”策略开发和生产产品，同时降低运输成本。

根据公司规划，这些微工厂将不仅仅是简单制造产品的基地，还将成为客户参与产品设计造型的共同工作基地，甚至是销售制成品的基地（图5）。

图5：洛克汽车基地具有与客户共同设计、制造、销售等功能。

(a) 位于美国亚利桑那州菲尼克斯的汽车（Rally Fighter）的组装地点。

外部饰面采用薄膜而不是喷漆工艺。

(b) 是位于美国田纳西州诺克斯维尔的商店。

截至今年2月，Local Motors已在亚利桑那州凤凰城和内华达州拉斯维加斯建立了微型工厂。

此外，该公司还计划年内在华盛顿特区附近的马里兰州国家港口商业设施以及前述的诺克斯维尔设立微型工厂。

此外，该公司今年6月在诺克斯维尔市区商业区开设了一家商店，成为3D打印汽车的销售点。