清粉技术登上舞台：ZF与Solukon携手破解电动汽车增材制造规模化难题

一些生产内燃机驱动车辆的汽车OEM厂商，往往喜欢在超越核心业务的领域里试探增材制造。

他们有时会提出一种论调，说内燃机汽车的零部件对AM来说是个难增长的领域，容不下太多灵活性和创新。

但放到电动汽车市场，或者说更广义的电动驱动交通里，叙事一下子就变了。

电动汽车用的零部件比内燃机驱动系统更少，可这反而放大了增材制造的结构性优势。

因为这个细分市场太特殊，企业开始越来越认真地追问，AM能在哪些地方发挥最大价值，怎么发挥，以及这条路上需要哪些使能技术。

由ZF牵头、专做清粉和后处理的Solukon作为关键技术合作伙伴的nexAMo项目，就是冲着这种灵活性和创新挑战去的。

有趣的是，真正让项目站住脚的，是清粉，英文叫depowdering。

2024年2月13日，全球最大的汽车供应商之一，德国零部件巨头采埃孚（ZF Friedrichshafen AG），把十个来自工业界和科学界的项目伙伴请到一起，开了nexAMo的启动会。

这个项目由德国联邦经济事务和能源部在汽车制造商和供应商行业数字化资助计划下支持，目标是开发一种高度灵活、解耦的矩阵式生产系统，制造适应性是过去没有过的。

该部门判断，汽车行业已经开始向更大产品多样性、更小批量生产倾斜，开发周期也在缩短。

传统生产线的灵活性有限，很难经济地消化这种压力。

增材制造，尤其是LPBF激光粉末床熔融技术，让汽车OEM能灵活地生产中小批量零件。

但这份灵活性也暴露了一个电动汽车生态很少承认的挑战，粉末去除。

要理解清粉为什么棘手，得先看看ZF怎么看增材制造。

ZF的业务遍布40多个国家，员工超过16万人。

它的AM之路和很多大型工业企业很像，从原型试制开始，做到工装模具，然后一层层往下挖，挖出更深的潜力。

ZF生产技术中心智能材料技术部负责人伊格纳西奥·洛沃-卡萨诺瓦（Ignacio Lobo-Casanova）说，观念转变是根本性的。

他回忆，「早期，AM在内部常常被视为一种有前景但实验性的技术。
如今这个观念已经变了。
大家讨论的重点，从这项技术是否足够成熟，变成了AM在我们的生产版图里最适合放在哪里」。

让AM进入ZF电动汽车讨论的，是电动汽车在工程设计上的一个有趣特质，在更小的空间里集成更多功能。

热管理、电力电子和紧凑壳体结构相关的组件，正好能用AM做出传统工艺很难复制的方案。

洛沃-卡萨诺瓦举了一个阀体单元的例子。

这个零件内部有复杂的流道，多种功能被整合进单一部件，里面那些对流体控制至关重要的小型交叉通道，也特别难清粉。

清粉这个话题，还从没在3D ADEPT Media这个行业媒体的平台上，放到电动汽车的语境里聊过。

但电动汽车制造改变的不只是零件的外观形态。

真正改变的是这些零件必须被制造出来的条件。

Solukon的首席执行官兼联合创始人安德烈亚斯·哈特曼（Andreas Hartmann）在聊到这个问题时，先给了一个判断。

他说，把粉末从复杂几何结构里安全、可重复地清出来，这个基本挑战是所有行业共通的。

但汽车行业有自己的特殊性，生产通常是大批量，而且高度自动化，按同步节拍运行。

这种对生产线集成度的最大化灵活性要求，恰恰是粉末去除要面对的难题。

这是汽车工业从流水线时代一路带下来的节拍逻辑，在增材制造面前显得有点别扭。

电动汽车需要的零件数量比内燃机少得多，但单个零件往往更复杂，功能集成度更高，还要满足同样的汽车级质量要求。

100%清洁度、完全可追溯性、规模化条件下的工艺可重复性，一项都不能少。

哈特曼说，需要手动清洁的设计，在这个规模上是不可扩展的。

有一点是确定的，nexAMo项目把一条真正集成化的AM生产线在汽车场景里应该长什么样，摆到了台面上。

清粉在这条线里是一个关键节点。

集成进生产线的SFM-AT800-S，配备了AGV自动导引车对接站和自动垂直滑动门。

哈特曼把这套流程讲得很清楚。

打印完成的零件由AGV转运，自动装载到Solukon系统里。

零件通过零位夹紧系统自动夹紧。

自动清粉过程结束以后，要等一段时间让粉末颗粒沉降，然后零件再由AGV卸载，送到下一道生产工序。

这种集成需要的不只是硬件。

Solukon为这组配置专门开发了定制化软件和工程方案，包括门概念及其密封接口的编程，与AGV和整体控制中心的通信桥接，还有一套为适配机器模块化架构而设计的全新滑动门方案。

这里有个经验值得单独拎出来讲，标准系统能扩展，恰恰因为它是模块化构建的，给定制化需求留了空间。

在ZF这边，运营层面的收益是实打实的。

洛沃-卡萨诺瓦把工艺可预测性的提升，看成自动化清粉能够进入批量生产的核心原因。

他说，自动化清粉能更可靠地融进端到端生产流程，带来更短、更稳定的交付周期。

对ZF来说，考虑把AM扩展到批量应用时，这种可预测性至关重要。

前面提到的阀体单元，就是这种信心在实际场景里产生价值的例子。

自动化清粉让团队能以可控、可重复的方式清洁这些阀体单元，也能确信内部通道已经完全清理干净。

这种可靠性，是相关部件通过认证、跳出纯原型制作去谈更大规模应用的前提。

可靠的自动化清粉还有一个不太容易被注意到的副产品，它会反过来影响工程师怎么设计零件。

洛沃-卡萨诺瓦说，自动化清粉并没有消除所有约束，但它拿掉了一个关键的不确定性。

工程师在设计内部几何结构时，不用再那么保守。

对下游工艺的信心更高，传导到上游，就是更大的设计自由度。

但自由度是有条件的。

哈特曼给出了一套和电动汽车语境咬得很紧的工程原则。

要避开深的盲孔、尖锐的内角和长而狭窄的通道，这些地方容易让粉末被压实或者形成桥接。

型腔、通道和悬垂结构的设计，要考虑粉末能不能在重力作用下自然掉落。

表面纹理也要管，粗糙表面因静电吸附的残余粉末往往还需要人工干预，而人工干预恰恰是汽车级规模生产承受不起的。

在一个要求100%清洁度的行业里，工艺起点处的设计决策，往往决定了整条生产线的终点能不能走通。

从我们对这个垂直领域的报道来看，汽车行业的开发周期比很多行业更成本敏感，也更强调验证。

越早把清粉工艺和固定设计对齐，越能降低因为粉末去除不充分而增加额外生产循环的风险。

除了ZF自己的经验，洛沃-卡萨诺瓦还提了一个更广的教训。

必须从整体上看AM。
光是盯着打印过程，远远不够。

清粉、搬运、质量保证和数据集成这些后处理步骤，对工业化同样重要。

增材制造要是想从小众应用走进汽车级生产，自动化、标准化的工艺流程是绕不开的前提。

哈特曼在聊到金属AM在汽车行业规模化的剩余瓶颈时，也回到了系统级思维。

单件成本是最常被提到的挑战，这个现实确实存在。

但清粉和这个等式直接相关，清粉阶段省下来的时间，会摊薄单件成本，有效的粉末回收，也会减少材料浪费。

Solukon为了把清粉过程变得更透明，开发了数字工厂工具（Digital-Factory-Tool）。

这在规模化质量保证所需要的工艺可视化方向上，算迈出去了一步。

把所有AM和后处理设备连接到一个统一的自动化概念里，是一件很难但值得做的事。

如果这步能走通，电动汽车领域很可能被推到新的高度。

而nexAMo，可能是欧洲最早把这条路径从愿景变成现实的项目之一。