比亚迪再招3D打印人才？看完这篇文章，领悟汽车制造未来

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比亚迪再招3D打印人才？看完这篇文章，领悟汽车制造未来

先看一条发布于南极熊的比亚迪招聘3D打印人才简章：

这不是比亚迪第一次发布这类招聘信息,这次比亚迪依旧大力招募3D打印领域的高端人才，给出的薪资待遇优厚,月薪上限高达5万，并且强调能提供极高的研究自由度、丰富的应用场景、充足的经费支持等。

这表明比亚迪对发展3D打印技术抱有很高的期望和信心。不过,单从这则招聘启事还难以判断比亚迪在3D打印领域的具体布局和战略。

他们再次招聘3D打印人才的真正目的是什么?
是为了储备先进技术,为未来可能的应用做准备?
还是已经有了明确的技术路线图和产品规划?
3D打印技术在比亚迪的新能源汽车生产制造中将扮演什么角色?
是否仅仅只是我们已知的原型制作、概念车制造、快速样板、个性化定制、辅助铸造等传统汽车应用？
亦或是适用于新能源汽车的电池相关部件制造或者热管理部件？
会不会有全新的增材理念注入？
会给汽车的设计、性能带来怎样的变革?

这些问题我们暂时不得而知。

当你看完下面这个Czinger汽车如何重新定义下一代汽车制造的案例后，或许能够读懂一些比亚迪的企业动作了。

AI+金属增材：Czinger 21C定义下一代汽车制造

导读：这家美国加州的创业公司Czinger，充分利用人工智能辅助设计、拓扑优化以及金属3D打印技术，开发出了革命性的超跑21C。这款车在其结构、悬架、制动系统、传动系统等方面使用了超过350个增材制造零部件，实现了前所未有的轻量化和个性化。更重要的是，Czinger开发的AI赋能的柔性生产系统DAPS，有望彻底颠覆传统汽车制造模式。

汽车工业正在经历许多变化，电动化和绿色制造的要求正在推动创新。汽车行业中目前生产线思维和产量需求通常会导致人们按照传统思想行事。制造商一直寻找新的解决方案，以提高生产力，遵守法规并提高灵活性。

金属增材制造是一个经过验证的解决方案。其他行业,如航空航天,现在广泛使用金属增材制造来提高效率，减少零件数量、减少工装使用，缩短上市时间等。然而，在汽车领域的原型设计和最终合规生产之间的差距方面，这项技术的应用规模仍处于起步阶段。

总部位于美国加州的Divergent 3D成立于2014年，旨在通过金属增材制造等先进技术彻底改变汽车行业。2019年,成立了汽车制造商Czinger Vehicles；该公司由Divergent 3D控股，但是独立融资。

汽车行业中的金属增材制造现状

用金属增材制造进行原型制作在汽车行业并不新鲜。研发通常可以为测试零件和更快、更高效地进行设计迭代而证明增材更高的直接成本是合理的。随着金属增材制造的进步，一个问题摆在面前，即这项技术是否以及如何从原型制作过渡到生产。

常规汽车零部件的增材制造的成本效益不足以证明当前金属增材制造生产的投资成本是合理的。为了让金属增材制造弥合原型和生产之间的差距，工程师需要改变他们的设计思维方式。在汽车设计中已成为标准的传统设计限制与增材制造中存在的限制不同。此外，工程师必须考虑新的增材制造解决方案将如何规模化。工业4.0和更全面的解决方案正在产生许多创新，这些创新产生了很好的案例研究，但不容易保证足够的生产数量。

2015年，Divergent 3D公布了其概念验证车辆Blade。该车的设计采用金属增材制造部件和节点，形成复杂的集成结构。创始人兼首席执行官Kevin Czinger希望展示一种全新的汽车设计和制造思路。然而,Divergent 3D并不打算止步于概念车，其目标是在完全数字化的端到端集成系统中，用有限或没有直接工装批量生产车辆Divergent 3D后来将这一概念验证发展成了Czinger汽车公司生产的21C。

"车辆结构的制造已有100多年的历史,"Czinger说。"它基于单一规格的钢板或铝合金板、冲压、夹具固定和焊接，是一个非常相似而又资本密集型的过程。"钢制一体式车身是汽车设计的基础,但其制造方式仍与生产装配线这个概念刚兴起的时候没什么变化。

相对固定的生产模式迫使汽车行业成为量产驱动型。当生产的重点是数量时,它会阻碍灵活性。

为什么行业的人没有大量用铝呢？因为开发高强度钢的话，汽车公司就不必重新装备生产线。铝是轻质的，但没有钢强度高。由于不能使用已经适用于钢的相同模具，用铝设计零部件需要更多材料。

21C发动机舱内部,可以看到金属3D打印在整车中的广泛应用,从车辆底盘到制动器、悬架和排气部件

Czinger 21C后部结构的这个渲染图,拟生产没有传统工装思维约束的，更集成的、更有机的几何形状

汽车产业金属增材制造的挑战

"我们必须摆脱这些有100年历史的相似系统和思维定式,"Czinger说。"有了完全数字化的端到端系统，就有可能将制动系统、电机、电池电芯等的功能直接构建到车辆结构中。数字化架构可以消除与外壳、支架和其他部件相关的资源、零件和紧固件。这种数字化思维和架构使Czinger成为第一家没有任何主要直接工装的先进汽车公司。但在彻底改变汽车制造之前,还有一些挑战需要克服。

21C的转向柱

目前,增材制造并不以大规模生产而闻名。对于较小的部件，金属粘结剂喷射成形(BJT)有望提高整体构建速率，但它不适合Divergent设计的汽车结构元件所需的大型承重零件。它可以在生产更小的、低承重的增材制造汽车零部件中发挥作用——特别是在相关工艺如金属注射成型(MIM)已经取得成功的应用中。

电子束粉末床熔融(PBF)广泛用于航空航天部件的生产，但目前商用型号缺乏Divergent所需的构建室容积，而且在航空航天和医疗器械行业之外普遍缺乏工业渗透。此外，PBF是一个更复杂的过程，对于熔点较低的材料如铝、镁和锌来说具有挑战性。

21C的集成的立柱和制动部件

现在，激光束粉末床熔融(PBF)能够在广泛的汽车零件中提供所需的几何尺寸和公差以及强度规格。然而，在当时，该技术还不能提供与汽车生产速率竞争所需的构建速率。

后下部控制臂

此后，许多公司一直致力于提高激光功率和激光数量,以提高构建速率。随着金属增材制造在航空航天和其他行业的应用和创新的进展，它在汽车领域获得了越来越多的关注，受益于它生产轻量化复杂零件的能力、高度定制化的能力以及减少或无需工装。

减少汽车制造的工装和前期成本可能代表了设计、制造和业务战略的一个颠覆性转变。但是,为了证明这一点,Divergent 3D必须让金属增材制造以真正的工业生产速率生产零件。Czinger解释说:"我们必须生成一个在多个目标上完全优化的制造系统。从生产刚度、成本，到在真正的工业速率下创建结构。不是航空或原型的速率,而是汽车生产的速率!我们最初的目标是以每年约5,000辆的生产速度瞄准细分市场(全尺寸、独家和豪华汽车)的汽车。"

这个目标是四年多前制定的，尽管金属增材制造技术进展迅速，但市场上还没有一台机器能达到所需的生产速度。"我们知道与增材制造机制造商建立伙伴关系是实现必要生产速度的最佳策略，"Czinger说。从2017年开始，Divergent 3D和SLM Solutions建立了开发伙伴关系，并陆续采购了多台大尺寸多激光增材设备，使其能够实现必要的汽车生产速度。

SLM Solutions的NXG XII 600激光束粉末床熔融(PBF)机器

汽车增材制造的材料挑战

金属增材制造采用面临的挑战不仅限于增材制造机本身。"当我们开始这个目标时,金属粉末真的很有限，"Divergent 3D的首席技术官兼增材制造和材料副总裁Michael Kenworthy说。"我们发现一些性能良好的商用铝合金，可作为热交换器或其他部件使用，但没有任何合金具有我们在碰撞测试中所需的能量吸收性能特点。"

"即使是在F1赛车中使用的Scalmalloy这样的材料，也具有高延展性和良好的机械性能，但不足以在我们的碰撞设计中幸存下来，"他解释说。"很明显,我们必须设计自己的材料。"

高延伸率增材制造铝合金的典型机械性能(在SLM280系统上构建,优化参数,垂直ASTM E8试样)

虽然目前一些公司正在进行纳米颗粒和其他研究的有趣工作，但重要的是从根本上考虑新的合金策略。为了开发一种新材料，至关重要的是要实现公司扩大规模和与汽车行业的大规模生产和既定经济竞争所需的成本结构。如今，Divergent 3D拥有多种专有合金和粘合剂,以保持必要的构建速率、成本结构和性能。

高延伸率3D打印铝合金机械性能对比

用于定制"Divergent碰撞合金"性能测试的梯形压溃轨道

在考虑传统汽车设计时，选择铝合金或Scalmalloy而不是钢似乎成本高昂。钢的每磅成本仍然低于铝，并且可以提供更大的疲劳强度和更高的耐久极限。虽然一些高端车型的成本可以证明使用铝的额外成本是合理的，但Czinger不只是更换传统的钢零件。虽然目前的21C型号是一款超级跑车,其价格标签可以证明使用铝合金是合理的，但Czinger认为它将扩展到更具成本效益的车辆。

现在市场上广泛提供生成式设计、拓扑优化和其他AI软件解决方案。这些程序使工程师能够定义零件的约束和要求，并让AI生成不同的设计,通过迭代优化和测试设计，这超出了人类设计师的能力。生成式设计工具通常会创建难以或不可能用传统工艺制造的有机几何形状，但与增材制造配合得很好。使用这些设计可以使铝更具成本效益,得益于重量减轻、创建复杂几何形状的能力、表面光洁度、构建速度以及它们提供的附加设计特性的潜力。

"对于已经为高端轻量化车辆设计的零件，我们看到质量减少了15%到25%或更多"

"显然，有巨大的减少材料使用的机会，但还有更多好处。使用软件对零件进行数字化设计和测试，我们将结构驱动到失效。这种快速迭代循环让我们生成更强、更轻的结构，在不失效的情况下超过传统使用寿命三到四倍。"通过对工艺和材料的理解，Divergent 3D在仿真和真实世界性能之间实现了95%或更高的准确度相关性。

渲染图显示了前部安全结构、悬架和制动系统,所有这些都利用AI优化部件设计以提高性能,同时利用金属3D打印带来的机会

增材的生产挑战

为了将这些新技术和材料结合在一起，Divergent 3D仍然面临着后处理、支撑移除、粉末管理和装配等众所周知的增材制造工作流程挑战，需要进行优化以保持公司设定的高生产速率和低成本。Czinger说:"我们有一个专有的支撑移除工艺，如果需要的话，还有一个回收材料的工艺。从成本的角度来看，我们审视整个系统的总成本。所有摊销的固定和可变成本，跨越一个端到端生产系统,该系统接受一组产品结构的需求输入。有了这个总成本和输入需求,我们的系统自动设计、增材制造和组装，无需使用夹具，该结构作为输出。整个系统的总输出成本才是最重要的。"

Divergent发明了一种制造解决方案来应对系统级挑战。Divergent Adaptive Production System (DAPS)是一个完整的软件/硬件解决方案，旨在取代传统的汽车制造：一个用于复杂结构的完整模块化数字工厂。在给定一组数字需求作为输入的情况下，该系统自动计算设计、增材制造和组装复杂结构。DAPS可以在没有夹具的情况下制造和组装结构，以在不同的子框架或车辆模型之间无缝移动，切换时间为零。

Divergent Adaptive Production System (DAPS)是一个完整的软件/硬件解决方案,旨在取代传统的汽车制造(由Divergent 3D提供)

其模块化设计有助于解决另一个挑战:用户接纳程度。向行业展示颠覆性技术必然会遇到阻力。公司通常从原型或案例研究的起点采用新技术，着眼于小规模起步，然后扩大。对于某些项目，新技术试点可能会成功，但在扩展时可能会失败。

Divergent 3D从一开始就专注于一个完整的、端到端的数字化、模块化和可扩展的制造系统。使用这个系统，一家公司可以从一个单元开始,可以组装子框架的一部分，随着信心和投资回报的获得，这些单元可以按照公司的计划接管更多的组装。随着公司的发展，可以集成更多的单元。

例如，"如果你有一辆电动汽车，前后车架的年产量为5万到15万个子框架,我们可以用一个单元来完成。要扩大到每年30万个框架，只需再添加一个单元。"装配单元占地面积约为直径20米，高约6米。目前，一个装配单元每年能够生产5万到15万个子框架或1万个完整的车辆底盘，与现有方法相比，成本大幅降低。

此外，这种模式下, 工装和夹具的既有顾虑都不在了，因此一切都是动态的，适用于新的设计和业务策略。公司可以更灵活地满足市场需求，响应技术发展，而不会被传统的大规模生产策略所束缚，这种策略极大地阻碍了生产灵活性。

成果和未来发展

组装后的后部结构,显示了金属增材制造在21C上的广泛使用程度

"我们已经架构、发明并内部构建了我们的系统"Czinger说。"我们使用自动设计与AI元素、专有材料、专门构建的增材制造机器,以及使用专有粘合剂和计量学的无夹具装配单元来设计、构建和组装。围绕该生产平台及其三个子系统，我们申请了470多项专利。"

虽然增材制造零件的数量仍在增加，但目前版本的21C拥有超过350个增材制造零件，主要应用包括前后碰撞结构、后分框架和整个前部结构总成。金属增材制造零件的清单还在增加，包括动力总成部件，如进气歧管、所有排气部件和隔热罩。此外，变速箱壳体经过全面优化，适合增材制造，并将用于生产21C车辆的增材制造。

"我们不断改进21C，看到了未来的进一步改进,包括优化的、打印的电池电芯载体。大约20%的汽车总质量是用金属增材制造制成的。随着我们进一步减轻某些部件的重量，我们重新设计其他部件用于增材制造，因此在过去几年结构演变的过程中，它在整体百分比上保持大致相同。"

21C的顶视图

这款由Divergent 3D技术开发的超级跑车已经打破了量产车的圈速记录。2021年7月21日,在拉古纳赛卡赛道，21C以1:25:44的成绩打破了之前迈凯伦Senna保持的1:27:62的记录，超过2秒。后来,在2021年9月23日,21C打破了美洲赛道(COTA)的圈速记录，该记录此前由迈凯伦P1保持，超过6秒。新的COTA记录是2:11:33。

21C表明，Divergent 3D的架构从一开始就能提供极高的性能，而且有可能实现无工厂的汽车设计商业模式。这款超级跑车的首批80台几乎售罄，并吸引了至少四家前十大汽车原始设备制造商的注意。Czinger没有透露这些公司的名称。

Divergent 3D和Czinger的成就证明，通过正确的方法,金属增材制造可以进入汽车生产领域。目前,细分市场的高端车型是目标，但Czinger认为，也许只需8到10年的时间，就可以颠覆A型紧凑型乘用车细分市场。这项技术可以改变商业策略,提供更短的生命周期、更大的定制化和更可持续的做法。

21C的增材制造架构打破了拉古纳赛卡和美洲赛道的量产车记录

汽车制造商将有自由在不同车型之间改变产能,更快地适应市场设计和技术。随着更高效结构的生成,数字化端到端架构将使跟踪数据和生成成本生产率曲线变得容易，以与计算的总系统成本进行比较。将有可能简化生产指标,将最低可行产品与目标市场细分进行比较，以便管理层了解如何驱动成本生产率指标并相应地扩展规模。

这些只是Divergent 3D和Czinger的21C不仅仅只是刷新圈速记录的一些原因。Divergent 3D的技术是许多公司在新工业革命中努力实现的一个例子：随着汽车行业继续面临的绿色制造和电气化的需求增加，金属增材制造将在摒除传统生产思维发挥关键作用。