一、凯迪拉克的3D打印创新应用

对于汽车行业的从业者和爱好者而言，凯迪拉克这个名字无疑充满了传奇色彩。

作为美国汽车工业的先驱和象征，它曾经代表着汽车工艺和技术的巅峰。上世纪的凯迪拉克以精湛的制造、创新的技术和高贵典雅的设计傲视群雄。

那飘逸流畅的线条，闪耀光泽的镀铬装饰，沉稳舒适的驾乘感受，无不彰显着美式豪华的极致品味。

然而，随着时代的更迭和市场的变革，这位昔日的王者似乎逐渐失去了昔日的光环。

今年前两个月，凯迪拉克在我国的月销量没有过万，1月份，凯迪拉克的销量为8380台，同比暴跌60%，环比跌幅62%。

2月份，凯迪拉克的销量虽然有所上升，为8832辆，两个月销量共计17212台，同比下降了44%，已经几乎接近腰斩。

这或许只是传统西方车企的一个缩影。

在电动化、智能化、网联化的浪潮下，传统汽车巨头们纷纷感受到了前所未有的危机感。即便是凯迪拉克这样的顶级品牌，也难以独善其身。面对日益激烈的竞争，它急需通过转型来重塑品牌形象，重新唤醒消费者的热情。

星移斗转，东升西降。我国比亚迪，这家被誉为"新能源汽车一哥"的企业，不仅曾得到了股神巴菲特的青睐和投资，更跃升为全球新能源汽车销量冠军。

其发布的业绩报告称2023年全年实现归属股东净利润300.40亿元，同比增长80.72%。如今，比亚迪在业绩炸裂的同时，正以惊人的速度和创新的技术拓展版图， 领跑全球新能源汽车市场的第一梯队。

令人好奇的是，尽管在许多问题上，中美两个大国的论调都南辕北辙， 但两国的汽车品牌，却不约而同地将目光投向了一个新兴的领域—3D打印。

3D打印， 究竟有何魅力，竟能同时吸引全球各个不同文化和市场背景的汽车品牌？ 

其实汽车工业与3D打印结缘已久，但更深层次的融合才刚刚开始。

从概念车到原型车，从定制化生产到批量化制造，这项新兴技术正在不断拓展想象空间和应用边界。但面对如此广阔的前景，业界仍有诸多疑问有待解答：

3D打印究竟能给汽车设计和制造带来哪些变革？

• 新能源车已经如此优秀，3D打印能带来的边际提升还有多少空间？

• 3D打印的构建效率能否满足批量生产的需求？

• 它在性能、成本、效率等方面能否满足汽车工业的高标准、严要求？

• 车企到底如何布局这项技术？

  
  

AM易道曾分享，Czinger 21C的案例给增材+AI的全新生产模式树立了一个先驱，但其声称的每年5000辆的产能尚未有证据显示能够交付成功。

我们不妨来看看凯迪拉克，这个充满了大量工装、模具和无数底特律蓝领的老牌汽车企业，是如何一步步接纳3D打印。

1. 凯迪拉克CELESTIQ旗舰车型

CELESTIQ是凯迪拉克品牌的纯电动旗舰轿车，售价约30万美元，通用汽车为了打造这款车投入的设备价值就达8100万美元。它采用通用汽车最新的Ultium电动车平台，并广泛应用了包括3D打印在内的各类先进制造技术。

该车型的一大特点是采用了部分手工生产方式，每辆车尤其是内部都将根据客户的个性化需求进行定制，提供独一无二的"私人订制"体验。

凯迪拉克并没有大规模的改造制造系统，客户的定制化更多的限定在了驾驶舱层面，这在不必颠覆原有制造系统的基础上， 最大可能的利用了3D打印技术。

115个3D打印零件广泛分布于车辆的内外饰、结构件、功能部件等各个部位，涵盖了金属和高分子两大材料体系。

2. 凯迪拉克/通用汽车对于大规模3D打印零部件的一些思考

就传统而言，模具、工装、夹具一直是汽车行业零部件大规模生产的关键。工具阻碍了灵活性，但这推动了生产更大产量的需求，只因此可以收回成本并产生利润。

对于凯迪拉克来说，虽然增材制造可用于间接制造，降低与模具生产相关的成本和交货时间，但更激进的选择是通过增材制造直接生产系列汽车零部件，从而完全消除模具，这一想法正迅速成为现实。

通用汽车某款车后扰流板上的封闭密封件，可简化气流以提高燃油效率。由于设计变更，根本没有足够的时间使用传统的基于工具的制造工艺来生产密封件，距离生产开始只有六周的时间。通过使用通用汽车内部的增材制造能力来验证增材制造解决方案，然后外包生产，60,000 个零件按时交付，没有出现重大延误。

"增材制造作为一个整体功能面临的最重大挑战之一是人们误解它不能用于支持大规模和/或大批量，或者要很多年以后，或者其零件的质量不如传统生产的零件， "通用汽车增材制造产品应用技术主管解释道。

"随着材料和增材制造生产技术的发展，我们提高了大规模生产的能力。我们致力于了解当前最先进的 PBF、下一代 PBF 和 Binder Jetting 之间的区别，以及它们与我们传统制造解决方案的比较。"通用汽车与EOS合作，为了更好地理解这种差异以及增材制造与传统制造之间的比较。

不得不说，EOS帮助梳理的这张表还是非常精辟实用的，建议行业内朋友收藏。

AM易道说句题外话，国内的设备厂家目前通过叠激光器的方式几乎是把自己的设备朝着图中的右上角而去，而这样的做法，可能只适用于航空航天。

和大部分增材用户一样，不可避免的问题是，后处理。特别是从构建箱中去除零件和粉末——耗费了大量精力。无论是使用BJT还是PBF技术，目前从基板上去除零件和粉末的速度都被视为推动急需的自动化发展的主要障碍。如果能够自动化，增材制造在汽车行业批量生产的潜力将显着增加。

"即使装载和卸载构建托盘也很耗时。操作员可能需要八个小时才能卸载和装载一整托盘的金属粉末和零件。

"在工作流程的这个阶段，操作员通常会从构建空间中真空吸出材料，然后将其转移到不同的筛选机，最终将筛选后的材料与原始材料混合，最后重新装载到增材制造机器上。

"为了跟上汽车行业的产量，我们需要大大减少这个时间。"

"我们开发了自己的材料管理系统，"他解释道。"现在，操作员在构建完成后使用吸尘器尽可能多地去除松散材料。旧材料添加原始材料又能回到机器使用。"该系统能够在三十分钟内将一台增材制造设备的粉末去除或重新装填，并且可以为多达三台机器提供相同的材料。此外，机器不需要等到装满粉末才能开始构建。

通用汽车团队一直在研究如何提高自动化程度并减少后处理时间。"当今大多数增材制造机器，尤其是 PBF机器，在设计时都仅仅考虑到了航空航天和医疗领域。

"有一种古老的观念认为增材制造金属零件必须达到与某些传统工艺相同的技术规格。"

"我一直听说零件的密度接近 100%，但在许多情况下，您不需要零件达到 100% 的密度。汽车生产商不一定与其他行业（例如航空航天和医疗）关心同样的事情。因此，我们正在与增材制造机器原始设备制造商合作，专注于汽车行业所真正需要的工程规范。"

"我们确实需要提高自动化和生产速度，以便增材制造进一步扩展到汽车领域。"

增材制造设备制造商区分市场的必要性对于该行业未来在汽车领域的成功非常重要。在传统的粉末冶金、粉末锻造或金属注射成型中，仅在应用特别需要时才寻求全密度或接近全密度。

因此，以牺牲100% 密度为代价，而专注在提高构建速度等功能可以让增材制造进一步渗透到汽车行业。

为了更好地了解增材制造的各种改进对产量的影响，凯迪拉克根据传统工艺对不断变化的盈亏平衡点进行基准测试。例如 CT4-V 和 CT5-V Blackwing 型号的电气传动支架进行多轮迭代后，才进行增材生产。

增材制造零件的设计包括将圆形和椭圆形孔改为泪滴形和六边形，以改善几何尺寸和公差。

耳朵或锐角也被减少为逐渐倾斜，以消除支撑材料。

最后，支架在打印设备中垂直定向和打印，因此它可以轻松地从基板上脱离，此外还可以在单次打印任务中嵌套许多此类支架。

该支架是一个很好的例子，说明简单的冲压零件如果过渡通过优化到增材制造，可以消除模具、缩短交货时间并与传统工艺竞争。

"通过特种粉末、100% 自动化、新颖的激光策略和未来构建尺寸的积极影响，我们看到盈亏平衡产量有所增加，但仍远不及汽车大批量项目，"

"但在我们看到广泛、大规模得采用之前，需要的是革命，而不是进化。

事实上，通用汽车的理解确实已经到达了目前增材直接应用于汽车的上限，在不彻底改变汽车的生产组织方式前，仅用增材生产某些零件，在保障其盈亏平衡的前提下，最大的天花板还是产能。

这也凸显了Czinger 21C案例中最令人惊喜的部分，相比于凯迪拉克，Czinger的柔性模块化生产单元重新组织了以增材为核心的汽车生产方式。

3. 3D打印在CELESTIQ上的具体应用案例

凯迪拉克和通用汽车应用3D打印进行工装、夹具、汽车原型验证、包括功能原型的案例我们均不再提供，我们将通过几个具体案例，进一步聚焦揭秘3D打印技术在CELESTIQ上相对创新的应用：

• 全车最大的3D打印金属件—方向盘中心装饰件

方向盘中心装饰件，是直接金属打印尺寸最大的零件。整个零件采用铝合金粉末通过激光选区熔化工艺一次成型，既保证了外观的精致度，又实现了内部结构的复杂性，还可以连接方向盘的外部结构，这是传统铸造工艺难以企及的。

• 首个3D打印安全关键件—座椅安全带导环

座椅上的安全带导环是CELESTIQ上首个采用3D打印的安全关键零部件。通过对金属粉末材料和打印工艺的优化，这个零件的强度和韧性达到了领先水平。同时，3D打印还使得导环的形状设计更加符合人体工程学，提升了乘客的舒适性。

• 大量采用3D打印的内外饰件

车辆内饰系统中也分布着大量的3D打印零部件，从仪表板、空调出风口、门把手到各类装饰面板，几乎所有需要个性化定制的区域都有它们的身影。这些内饰件最大限度地利用了3D打印在异形结构、纹理特征等方面的设计自由度，营造出极富科技感和未来感的车舱氛围。

AM易道独家了解到，内饰部分中，只要是金属的零件，几乎都是3D打印的。

• 集成化和轻量化的3D打印结构件

除了内饰，CELESTIQ的车身和底盘结构中也应用了多个3D打印零部件。例如，底盘的轻量化部件是用砂型打印辅助铸造后生产的。其使用设备是某V开头的大型BJT砂型设备。AM易道猜测，其他零件如大量的联接件、副车架、叶子板支架等部位，有可能能看到集成化程度更高、重量更轻的3D打印结构件。通过拓扑优化和晶格填充等设计手段，这些零件在满足强度和刚度要求的同时，能达到轻量化效果。

• 3D打印天线（铝制）

  注：下图展示的并不是3D打印设备

  

• 3D打印在动力系统中的应用

CELESTIQ采用的Ultium电驱系统中，AM易道猜测同样有多处用到了3D打印技术。猜测电池单元翻转机构，壳体、热管理等部分关键零部件会出现3D打印的身影，更多细节不得而知。

Ultium电池系统具有模块化功能，能够将电池单元翻转到侧面，以便将它们安装在 Celestiq 中，而不影响内部空间。有兴趣的新能源车企，可自行去LG Chem了解更多技术细节，由于这个电池架构是直接供美国核心部门，猜测可披露的技术细节有限。

4. 通用汽车对3D打印的整体战略部署

作为CELESTIQ项目的幕后推手，通用汽车对3D打印技术的发展和应用可谓下了大力气。近年来，通用汽车在硬件设施、工艺研发、人才培养、文化建设等方面进行了系统性的战略布局。

• 重资产投入

2020年，通用宣布斥资约3000万美元，在密歇根州的沃伦技术中心建立专门的增材制造中心。该中心将配备20多台先进的3D打印设备，覆盖金属和高分子、粉床和挤出多种主流工艺，为汽车零部件的研发和生产提供强大的硬件支持。

• 工艺研发与行业专家合作

在工艺技术方面，通用汽车与多家国际知名增材制造企业建立了深度合作，重点开展材料配方、参数优化、质量控制等方面的联合攻关。例如，专门针对汽车铝合金开发了新型粉末材料和专用打印工艺参数数据库，大幅提升了成品率和性能稳定性。

• 人才生态建设

人才培养也是通用汽车3D打印战略的重要一环。除了面向内部员工开展全方位的增材制造培训，通用还积极推动产教融合，与当地大学、国家实验室等科研机构开展人才联合培养，力求从源头上为行业输送高素质的3D打印专业人才。

• 培育增材文化

教育对于摆脱传统观念是必要的，传统观念认为，增材制造的价值仅仅在于小的、复杂的或组合的部分。

通用汽车启动了一项外联计划，增材制造专家团队将参观工厂，寻找可能具有更大价值的零件，或者在采用增材制造的情况下提供更全面的解决方案。在此阶段，专家们将对其他人进行有关增材制造的教育，并确保员工了解通用汽车的教育计划。

目前，通用汽车的增材制造教育项目已培训了1,300多名工程师。通用汽车公司的许多技术成功都来自于那些已经了解增材制造的可能性的青年工程师。

"自 2017 年增材设计与制造部门成立以来，通用汽车已在增材制造教育和相关计划上投资了超过 600 万美元。增材制造教育对于在快速变化的增材制造领域发展吸收能力并最终改变我们设计、工程和制造产品的方式是必要的。"

通用汽车还通过与底特律一所私立高中合作，为中学生提供切实的包括增材制造在内工作经验。该计划提供基础技能发展，同时让学生接触快速发展的行业。提供让一名高中生每周工作一个完整的工作日的机会，并计入毕业学分。

三、 凯迪拉克3D打印项目的启示

这款车的问世，为业界带来了诸多关于3D打印应用的重要启示。

首先，CELESTIQ验证了按照零件逐步替换的思维3D打印能够批量化生产整车的可行性。以往业界对3D打印技术能否应对汽车的苛刻技术标准和工艺要求还存有疑虑，而CELESTIQ的成功开发，无疑为这一问题给出了肯定的回答。这将极大增强整个行业应用3D打印技术的信心。

其次，CELESTIQ开创的定制化生产模式，虽不及Czinger 21C的模式具有完整的颠覆性，但仍然为3D打印开辟了广阔的应用空间。随着消费者个性化需求的日益强烈， 以及电动车内娱乐化场景的逐步丰富，3D打印恰恰能够发挥"多品种、小批量、快周期"的独特优势， 助力车企实现敏捷制造和按需生产。

AM易道认为，凯迪拉克以及通用汽车集团对于增材制造上车的步伐更像是稳妥的渐进式创新，相比于Czinger 的21C的生产模式的全面革新，凯迪拉克身上仍有传统思维对抗增材思维的影子，而这也是大公司常见的创新通病。凯迪拉克的经验对于大部分传统车企来说，更有借鉴意义。

这同样意味着，当通用汽车都开始大量使用3D打印赋能创新的情况下，其他车企将不得不跟进。

四、结语

放眼全球汽车产业格局，综合实力领先的车企更有条件推动3D打印技术的发展和应用。这些企业不仅拥有雄厚的研发投入和先进的制造基础，更有丰富的应用场景和市场资源，能够加速3D打印技术的成熟和普及。

在这篇文章发表之前，凯迪拉克、通用汽车、宝马、大众集团等老牌车企均已加大在增材制造领域的布局，系统构建起从材料、工艺到软件、标准的完整能力。

本文并没有探讨比亚迪对于3D打印的应用场景和成果，因为相关公开的信息并不多。但我们知道比亚迪一直在扩充增材方面的人才。

可以期待，我国车企，将在高端车系列掀起新一轮的3D打印应用浪潮。

无论从我国的宏观政策，还是汽车市场的体量规模以及未来汽车消费频次升高的趋势来看， 汽车市场有望超越航空航天，将成为增材制造技术的第一大应用领域。

惟创新者进， 惟改革者强。AM易道愿见证：

中国的增材人和汽车人， 用一次深度的握手，共同给中国制造打造令人耳目一新的创造铭牌。