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汽车行业3D打印应用分析报告

2016年汽车行业3D打印应用分析报告

2016年1月

目录

一、3D打印在汽车行业的应用概述4

1、汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一4

2、3D打印汽车史：

3D打印正给汽车行业带来革命性变化6

（1）世界第一辆3D打印汽车：

Urbee27

（2）世界第一辆3D打印电动汽车“Strati”8

（3）全球首款3D打印超级跑车“Blade”9

（4）3D打印概念车：

1L油跑640km，助力在环保马拉松赛夺冠10

（5）3D打印太阳能超跑“Immortus”概念设计11

3、3D打印在汽车行业应用的市场空间广阔12

4、3D打印在汽车领域应用的可行性分析14

二、3D打印在汽车行业的应用贯穿整个生命周期15

1、研发环节：

集中于试验模型、功能性原型制造，应用广泛16

（1）本田汽车使用3D打印进行个性化汽车附件开发17

（2）概念车开发：

宾利推出3D打印概念车“EXP10Speed6”18

2、生产环节：

集中于小批量/定制化/对成本不敏感的高端跑车、赛车19

（1）兰博基尼使用3D打印制造最终零部件19

（2）日产使用3D打印制造DeltaWing赛车零件21

3、使用环节:

高端车/进口车售后维修、改装汽车是很好的应用点21

（1）维修：

3D打印“修复”保时捷Carrera气缸盖22

（2）改装：

杰夫•邓纳姆利用3D打印技术改装出会说话的汽车23

三、结论与展望24

四、风险因素25

汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一。

在3D打印技术众多的应用领域中，汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一。

早在3D打印技术发展的初期，一些欧美发达国家车企就开始将3D打印技术应用于汽车研发过程。

其中，应用最早、最深入、范围最广的车企是福特汽车公司。

早在1988年3D打印出现之初，福特汽车公司就购入全球3D打印史上第三台3D打印机。

3D打印正给汽车行业带来革命性变化。

2013年，世界第一辆3D打印汽车——Urbee2诞生；2014年世界第一辆3D打印电动汽车——Strati问世；2015年，全球首款3D打印超级跑车“Blade“、3D打印概念赛车、3D打印太阳能汽车概念设计等陆续登上汽车舞台。

它们的登场让我们看到3D打印技术正在以前所未来的速度给汽车行业带来革命性的变化。

3D打印在汽车行业应用的市场空间广阔。

汽车行业由于自身规模大、研发投入多、应用3D打印技术时间长等因素，在3D打印技术应用中占据重要位置。

汽车行业巨大的市场规模为3D打印技术在汽车领域的应用提供了广阔的市场空间。

保守估计，3D打印未来即使只在每年过万亿美元的汽车研发、生产环节中占有很小的份额，比如1%，那其每年在汽车领域的市场规模将超百亿美元。

3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期。

3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期，包括研发、生产以及使用环节。

就应用范围来看，目前3D打印技术在汽车领域的应用主要集中于研发环节的试验模型和功能性原型制造，在生产和使用环节相对较少。

未来，3D打印技术在汽车领域仍将被广泛应用于原型制造。

随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D打印技术在汽车行业的应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展，在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。

一、3D打印在汽车行业的应用概述

1、汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一

相对于传统生产的“减材制造”，3D打印技术属于“增材制造”（AdditiveManufacturing），被公认为是21世纪最具有颠覆性的高科技技术。

3D打印技术不仅能够适应定制化生产、还具有高度的灵活性，在降低成本、缩短周期、提高工作效率、生产复杂件方面具有优势，被广泛应用于航空航天、汽车、军工、消费品、医疗等领域。

汽车行业是一个开放的行业，其庞大的产业生态为新技术的发展提供了肥沃的土壤，对于3D打印技术也不例外。

在3D打印技术众多的应用领域中，汽车行业是3D打印技术最早的应用者之一。

早在3D打印技术发展的初期，一些欧美发达国家车企就开始将3D打印技术应用于汽车研发过程。

其中，应用最早、最深入、范围最广的车企是福特汽车公司。

早在1988年3D打印出现之初，福特汽车公司就购入全球3D打印史上第三台3D打印机。

在福特汽车公司密歇根州DearbornHeights工厂，14台不同型号的工业级3D打印机每年要打印2万件零部件。

这还只是福特5个3D打印原型中心之中的一个。

目前，福特已利用ExOne公司的3D打印技术为自己汽车的引擎打印模具和样品。

同时，福特与Carbon3D公司合作，采用后者开发的连续液态界面3D打印技术（ContinuousLiquidInterfaceProduction，CLIP）量产制造出用于福克斯电动车型的橡胶垫圈和用于TransitConnect车型的阻尼缓冲器。

截至目前，福特使用3D打印技术主要还集中在打印产品原型，使用的材料多为塑料材料。

未来，随着金属打印技术的发展，公司计划使用金属材料直接打印最终产品或零部件，向具有与更高价值的应用转变。

除福特外，其他汽车公司巨头如BMW、GM、大众、丰田、Tesla、法拉利、兰博基尼、保时捷等也都有应用3D打印技术在自己汽车的研发制造中。

2、3D打印汽车史：

3D打印正给汽车行业带来革命性变化

3D打印在汽车领域最开始的应用主要集中在研发阶段的造型评审和设计验证。

随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印技术认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D打印技术在汽车行业的应用向功能性原型和功能零部件扩展。

而3D打印技术在汽车行业的终极应用形态是100%3D打印汽车，目前尚难以预测这一终极阶段具体时点。

近几年，随着“工业4.0/智能制造”被提出，作为高端智能制造技术之一的3D打印再次被推到“风口”。

2013年，世界第一辆3D打印汽车——Urbee2诞生；2014年世界第一辆3D打印电动汽车——Strati问世；2015年，全球首款3D打印超级跑车“Blade“、3D打印概念赛车、3D打印太阳能汽车概念设计等陆续登上汽车舞台。

尽管这些3D打印汽车，只是大部分零件由3D打印技术制成，并不是完全意义的3D打印汽车，但是它们的登场让我们看到了3D打印技术正在以前所未来的速度给汽车行业带来革命性的变化。

（1）世界第一辆3D打印汽车：

Urbee2

2013年3月，世界第一辆3D打印汽车——Urbee2问世。

全车仅由50多个零部件组成，相对于传统制造汽车上万个零件来说，相当精简。

其中，除底盘、发动机、电子设备等金属件采用传统方式制造外，其余部件均是由3D打印技术打印而成。

其实，Urbee2的前身Urbee早在2010年就已推出，只是属于概念车，不能进行量产。

Urbee2整个生产成型耗时2500小时，成本大致在5万美元。

该车为混合动力，电力驱动时，可提供6~12kw的动力，最大行驶里程可达64km。

（2）世界第一辆3D打印电动汽车“Strati”

2014年，在美国芝加哥举行的国际制造技术展览会（InternationalManufacturingTechnologyShow，IMTS）上，LocalMotors汽车公司展出了世界第一辆采用3D打印技术打造的电动汽车“Strati”。

Strati整个制造过程仅用了44个小时。

车身3D打印一体成型，全车仅40多个零件，除动力传动系统、悬架、电池、轮胎、车轮、线路、电动马达和挡风玻璃外，包括底盘、仪表板、座椅和车身在内的余下部件均由美国Cincinnati公司提供的3D打印机打印，所用耗材为碳纤维增强热塑性塑料，技术路线为FDM。

LocalMotors公司希望Strati量产后的售价在1.8万~3万美元之间。

（3）全球首款3D打印超级跑车“Blade”

2015年7月，美国DivergentMicrofactories公司推出全球首款3D打印超级跑车“Blade”。

Blade车身大部分由碳纤维制造，底盘由大约70个3D打印的“铝节点”拼接构成，质量轻，整车量约640kg。

Blade搭载一台700马力双燃料发动机（汽油或压缩天然气），0~96km/h加速时间仅需2秒。

Blade整个制造过程在40小时左右。

（4）3D打印概念车：

1L油跑640km，助力在环保马拉松赛夺冠

2015年7月，鹿特丹举行的壳牌环保马拉松赛（欧洲站）上，一辆来自波兰的IronWarriors团队使用ZortraxM2003D打印机打印的概念车凭借1L油跑640km的成绩一举夺冠。

该团队采用3D打印技术打印大部分零件，在保持零件机械性能的基础上，整车质量得到大幅降低。

（5）3D打印太阳能超跑“Immortus”概念设计

2015年8月，澳大利亚初创公司EVXVentures发布了一款名为“Immortus”的3D打印太阳能超跑概念设计。

该车只要是晴天，就可以不间断运行。

3D打印技术在Immortus制造过程中的作用主要是打印节点或连接机构进行组装，达到降低整车重量的效果。

纵观3D打印技术在汽车行业近30年的应用史，目前还主要集中于研发环节的概念模型和功能性原型的制造，功能零部件的直接生产应用相对较少，而其终极应用——3D打印汽车在近几年虽有个例，但仍处于概念阶段，到实际推向市场尚有时日。

3、3D打印在汽车行业应用的市场空间广阔

3D打印目前主要应用于工/商业机器、消费品/电子、汽车、航空航天、军工、教育、生物医疗等领域。

其中，汽车由于自身规模大、研发投入多、应用3D打印技术时间早等特点，在3D打印技术应用中占有重要地位。

据全球著名咨询机构Wholers发布的“WholersReport2015”统计，2014年3D打印收入中，汽车占比为16.1%，排名第3，仅次于工/商业机器（17.5%）和消费品/电子（16.6%）。

另据IndustryWeek统计，在2104年3D打印原型收入中汽车及运输领域占比超过3成，在所有应用领域中排名第一。

此外，根据SMARTECH报告，2014年3D打印技术在汽车行业的总市场收入为3.7亿美元，预计到2023年有望达到22.7亿美元，年均复合增长率超过20%。

汽车行业市场空间巨大，为3D打印在汽车的应用提供了广阔的市场基础。

2014年，全球销售汽车8,824万辆，在研发、生产环节的生产总值超过万亿美元。

假设未来全球汽车产值保持2014年水平，那么3D打印只要在其中占有一小部分市场份额，比如1%，那就有超过百亿美元的市场空间。

而随着3D打印技术的发展和在汽车行业的应用深入，从现有的市场空间较小的概念模型和功能性原型制造向功能零部件直接打印扩展，那么3D打印在汽车领域的市场空间将被真正打开，前景无限广阔。

4、3D打印在汽车领域应用的可行性分析

3D打印技术要想在现有传统制造基础上去寻找市场空间，必然要有比现在传统制造方式优越的一面或多面：

成本更低，效率更高，或者是传统方式无法完成而3D打印可以完成的工艺。

在分析3D打印技术在汽车行业的应用时，可从成本、效率、工艺等几个方面进行考虑。

就现有3D打印技术水平应用于汽车行业，其优势主要体现在以下几个方面：

（1）小批量、个性化制造方面具有成本优势。

（2）现场按需打印，无需交付时间，在缩短周期、提高效率方面具有优势。

（3）复杂件制造方面，3D打印不因部件复杂度而增加成本，传统方式或成本过高，或无法制造。

二、3D打印在汽车行业的应用贯穿整个生命周期

上述部分主要对3D打印技术在汽车行业的应用史、市场空间以及可行性分析做了简单的介绍，接下来，我们将从整个汽车生命周期对3D打印技术在汽车领域的应用案例做具体分析。

汽车整个生命周期包括研发、生产和使用三个环节，3D打印在每一个环节当中均有应用。

就目前来看，在研发环节应用较多，集中于打印试验模型和功能性原型，作为设计验证和评估的手段。

1、研发环节：

集中于试验模型、功能性原型制造，应用广泛

汽车研发环节，以正向开发为例，起点为项目立项，终点是量产启动，一般包括五个阶段：

方案策划、概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动。

目前，3D打印技术在汽车领域的应用主要就集中于研发环节，在概念设计、工程设计、样车试验以及投产启动均有应用，体现为3D打印试验模型、功能性原型等形式。

概念设计阶段：

其中的造型设计，一般先针对不同设计方案制作1:

5比例的油泥模型，经评审后，筛选2~3个方案再进行1:

1的全尺寸油泥模型制作。

然后进行风动测试，修改，确定最终方案。

在该阶段油泥模型的制造可采用3D打印，节省开发时间和成本，同时易修改。

工程设计阶段：

该阶段主要是完成整车各总成及零部件的设计，协调各总成之间以及总成与整车之间的矛盾。

其中涉及的车身数据检验模型、零部件样件等均可采用3D打印。

样车试验阶段：

包括性能试验和可靠性试验。

其中涉及的对前述设计环节检验未达要求进行修改的过程可应用3D打印。

投产启动阶段：

其中涉及各种模具、检具的开发以及小批量试产验证可靠性均可应用3D打印。

（1）本田汽车使用3D打印进行个性化汽车附件开发

面对汽车个性化定制需求的逐渐兴起，世界范围内各大汽车制造商纷纷使用3D打印技术来开发自己的新产品。

其中，日本本田汽车早在2006年就开始在汽车研发中使用3D打印技术。

为满足不同地区消费者的不同需求，本田公司采购了Stratasys公司的ObjetEden5000V型3D打印机，帮助其在各标准车型配置的基础上研发具有地方特色的汽车附件。

据悉，每辆车最多可以有300个这样的附件，包括车身内外饰件、镜子、车轮、旋钮等。

据本田公司产品计划研发部高级研究员HiroshiTakemori介绍，与传统的CNC方法相比，采用3D打印技术，设计师们可以快速修改设计方案并反复大量迭代，在确保原型产品设计质量的同时，大大缩短了产品设计和原型开发所需的时间，提高研发效率。

（2）概念车开发：

宾利推出3D打印概念车“EXP10Speed6”

2015年，日内瓦国际车展上，世界著名豪华汽车制造商宾利推出全新概念车“EXP10Speed6”。

据公司介绍，该车各个功能部件均用金属3D打印技术制造完成，包括其标志性的进气格栅、排气管、门把手和侧通风口等，代表了宾利品牌未来设计语言与巅峰动力性能的全新愿景。

与之前车型相比，EXP10Speed6网状进气格栅上，所有的格子不再是一个平面，包含了复杂的集合形状和不同的深度。

其大灯玻璃上使用宾利内饰皮革花纹，透出3D质感。

2、生产环节：

集中于小批量/定制化/对成本不敏感的高端跑车、赛车

生产环节对零部件机械性能、光洁度等要求严格，因此对3D打印技术水平的要求高，对应的成本也较高。

因此，目前3D打印技术在该环节的应用主要集中于一些小批量、定制化、对成本相对不敏感的高端跑车、赛车上，市场空间尚小。

我们认为随着3D打印技术日趋成熟，在打印性能、成本方面有望达到汽车直接生产应用的要求，则在该环节的市场空间广阔。

（1）兰博基尼使用3D打印制造最终零部件

在众多超豪华跑车制造商中，兰博基尼算是使用3D打印技术较早且深入的一家。

公司2007年就购入一台StratasysDimension1200es3D打印机应用于产品的开发环节。

2010年，公司又相继购入Stratasys的Fortus360mc和Fortus400mc制造系统，用于构建更大尺寸的零部件。

3D打印技术不仅为兰博基尼的设计团队提供了无限自由的设计空间，也为制造团队快速制造出高品质的零部件提供了帮助。

除了在研发阶段应用3D打印技术外，兰博基尼还应用其直接生产部分零部件，包括保险杠节、方向盘、内外饰件、通气栅、车门面板、座套、空气加热器等，多为外观件。

（2）日产使用3D打印制造DeltaWing赛车零件

2014年5月，日产汽车公司与一家总部位于澳大利亚墨尔本的3D打印服务公司Evok3D合作，后者专门为公司的日产的Motorsports（Nismo）提供打印服务，包括建造原型以及直接制造零件。

3D打印一大特点是可以快速地生产所需零件，适合于在短时间内小批量定制化生产，因此在赛车开发、制造先进部件方面具有优势。

与Evok3D合作，Nismo团队获得了极大的竞争优势。

3、使用环节:

高端车/进口车售后维修、改装汽车是很好的应用点

汽车使用环节面对的是整个汽车后市场，包括汽车金融、二手车、汽车售后服务（售后维修）、改装车等细分市场。

其中，3D打印技术可应用于售后维修、改装车领域。

目前3D打印在这一环节的应用相对很少，市场小，主要原因包括：

①目前3D打印机和原材料成本还是比较高；②打印出来的部件质量缺少检测标准；③汽车零部件知识产权保护；④维修、改装相关从业人员对3D打印技术认知不足。

高端车、进口车传统方式维修，周期长，相对成本高。

3D打印技术按需直接打印的特点可以弥补传统维修周期长的这一缺点，同时在成本方面与传统方式比较也能占有一定优势。

因此，高端车、进口车的售后维修是目前3D打印在汽车使用环节一个主要的应用点。

此外，3D打印适于个性化/小批量生产、设计灵活的特点使其在改装车方面与传统方式相比占优一定优势，因此也是目前可以看到的一个应用点。

（1）维修：

3D打印“修复”保时捷Carrera气缸盖

Carrera系列是当今保时捷车系当中历史最悠久的车型，也是一直延续后置发动机的车型。

自从第一辆911问世以来，Carrera已经历了40多年的历史。

Carrera系列很多车型已经停产，很多零部件已不再提供。

因此，对于拥有这样一款停产车型的客户来说，如果某部件坏了，只能重新定制或者通过逆向工程进行复制。

此时，3D打印相对来说是最适合的方法。

在其气缸盖损坏需要更换时，使用3D打印生产的步骤大致是：

①对原损坏的气缸盖进行测量、扫描，完成几何重建；②3D打印型芯；③气缸盖成型并后处理，得到最终零件。

（2）改装：

杰夫•邓纳姆利用3D打印技术改装出会说话的汽车

杰夫·邓纳姆是一位著名的喜剧演员，他利用三维扫描和3D打印技术成功改装出一辆会说话的汽车——Hotrod。

Hotrod最显眼的地方就是其引擎盖上的“艾哈迈德头”。

邓纳姆首先采用3D打印技术按设计打印出“艾哈迈德头”，同时在汽车的进气口增加了一个功能性部件，汽车吸气时“艾哈迈德头”便发出声音。

三、结论与展望

汽车行业由于自身规模大、研发投入多、应用3D打印技术时间长等因素，在3D打印技术应用中占据重要位置。

汽车行业巨大的市场规模为3D打印技术在汽车领域的应用提供了广阔的市场空间。

保守估计，3D打印未来即使只在每年过万亿美元的汽车研发、生产环节中占有很小的份额，比如1%，那其每年在汽车领域的市场规模将超百亿美元。

3D打印技术在汽车行业的应用贯穿汽车整个生命周期，包括研发、生产以及使用环节。

就应用范围来看，目前3D打印技术在汽车领域的应用主要集中于研发环节的试验模型和功能性原型制造，在生产和使用环节相对较少。

未来，3D打印技术在汽车领域仍将被广泛应用于原型制造。

随着3D打印技术不断发展、车企对3D打印认知度提高以及汽车行业自身发展需求，3D打印技术在汽车行业的应用将向市场空间更大的生产和使用环节扩展，在最终零部件生产、汽车维修、汽车改装等方面的应用将逐渐提高。

目前，3D打印技术尚不够成熟、打印速度不高、设备与原材料成本过高、生产质量不稳定等依然是制约其在汽车行业大量推广和应用的主要因素。

3D打印技术在汽车领域的应用不可能完全替代传统制造方式。

在汽车行业生态圈中，3D打印更多应该是根据自身优势找准其应用点，与现有传统方式结合，共同提高生产效率、降低成本、发展新工艺。

四、风险因素

1、3D打印技术发展不达预期；

2、出现更先进的生产技术。