UltiMaker製造系列。3D列印使整個運輸部門能夠實現快速原型設計和更高效的製造。

3D列印

-增材製造

-運輸

在這篇UltiMaker支持系列的第四篇文章中，我們將探討運輸行業利用這項技術的多種方式，從快速原型設計到製造輔助工具再到最終用途零件，以及未來的發展趨勢。我們之前的兩篇系列文章主要關注製造業和包裝業。

自3D列印技術問世之初，航空和汽車等運輸行業就與3D列印聯繫在一起。為了讓你瞭解這些聯繫的深度，汽車公司——比如購買了首批3D印表機之一的福特——和航空航太公司是20世紀80年代末3D列印的首批投資者和採用者之一。

當時，3D列印代表了一種新的解決方案，可能會破壞零件的設計和原型。如今，隨著運輸業繼續積極採用增材製造，利用該技術的獨特能力來生產優化設計，加快產品開發，提供具有成本效益的低批量製造，並支持製造工作流程和供應鏈，這一潛力和更多潛力已經實現。

在添加劑發展的這個階段，這項技術只代表了運輸行業整體價值的一小部分。例如，2021年，全球汽車製造市場估計價值2.86萬億美元[1]；據計算，2022年汽車增材製造業約為29億美元[2]（約占汽車市值的0.10%）。但是，隨著採用率的提高、流程自動化的提高以及新應用程式的驗證，AM在運輸中的價值正在穩步增長。例如，在航空航太領域，即使在新冠肺炎封鎖導致經濟放緩之後，增材製造市場仍在穩步增長，預計2028年將超過130億美元（2021年為37.3億美元）。[3] 這種增長在所有運輸行業都是如此。

加快產品開發

增材製造現在廣泛應用於許多行業，用於原型設計和產品開發。運輸業也不例外。在汽車、航空和鐵路領域，3D印表機使工程師和設計師能夠快速、經濟高效地列印、測試、調整和驗證新設計。至關重要的是，物理3D列印原型使運輸製造商能夠輕鬆地回到繪圖板上，在不顯著增加周轉時間的情況下克服設計缺陷（部分歸功於3D印表機能夠晝夜無人值守地製造零件）。這意味著，不僅可以更快、更便宜地將新設計推向市場，而且可以在產品開發週期的早期發現缺陷，從而降低重大檢修和昂貴產品召回的風險。換句話說，3D列印解鎖了更好的產品設計。

熔融絲製造（FFF）系統，如UltiMaker的系統，特別適合功能原型設計。UltiMaker印表機可以容納多種材料，從標準細絲到工程級複合材料。這種多功能性使工程師和產品設計師能夠列印出與最終零件特性非常相似（甚至匹配）的原型，從而促進功能測試和驗證過程。

Eventuri寶馬M4的3D列印進氣原型。圖片來源：Ultimaker。

Eventuri為奧迪RS系列和M-Power寶馬等高性能汽車製造進氣系統，3D列印現在是其產品開發過程中不可或缺的一部分。該公司依靠UltiMaker 3D印表機將數字進氣管模型快速轉換為可以測試功能和貼合度的物理原型。如果性能不足或不太合適，Eventuri工程師可以簡單地在CAD軟體中調整設計並重新列印以進行驗證。不用說，這種靈活且完全內部的工作流程為公司節省了時間和金錢，並使其能夠開發出卓越的進氣設計。

運輸中的製造效率

如果你看看今天運輸行業的生產線，你很有可能會遇到一個或多個3D列印組件。該技術越來越多地被用於通過開發夾具、裝配夾具、品質控制工具和更換零件來提高生產環境的效率。在這種情況下，FFF 3D列印提供了許多獨特的優勢：它有助於現場按需生產（從而最大限度地減少機器停機時間）；它不需要工具；這是一種用戶友好的技術，生產線操作員和工程師可以輕鬆掌握；它能夠開發出更高效、更符合人體工程學的生產輔助工具，從而提高生產效率和安全性。

特別是在汽車行業，製造商已經通過內部採用FFF 3D列印來改變他們的生產流程。例如，大眾汽車現在使用UltiMaker 3D印表機生產其絕大多數製造工具。在使用3D列印之前，這家汽車公司依靠外部製造商製造製造輔助工具和工具，通常需要數周時間才能交付。然而，通過內部3D列印，大眾汽車Autoeuropa將工具開發時間縮短了95%，成本降低了91%。

大眾汽車歐洲工廠的3D列印舉升門徽章每件僅需10歐元。圖片來源：Ultimaker。

大眾汽車有很多3D列印製造工具的例子，包括用於正確定位汽車徽章的舉升門徽章。該零件過去每臺售價400歐元，周轉時間為35天，現在只需4天就可以在內部製造，每臺售價僅為10歐元。總之，這家年產量為10萬輛汽車的汽車製造商現在有能力按需開發和實施工具，以保持其生產線的平穩和安全運行。

提升最終用途零件

添加劑技術在最終用途零件的運輸中也產生了巨大影響。這一應用領域主要由3D列印的設計自由度及其可擴展性驅動，這使得前所未有的幾何形狀得以實現。在設計方面，3D列印提供了一種創建以前不可能的幾何形狀的方法，例如有機形狀和內部空腔和通道等特徵。它還允許零件合併，從而最大限度地減少組裝時間，通常還可以減少零件重量。從可擴展性來看，3D列印是低批量生產的最佳製造工藝之一。這對航空航太行業來說是一個巨大的吸引力，因為航空航太行業通常需要較小規模的高度複雜零件生產。然而，擴大生產也是可能的：它只需要添加更多的3D印表機單元。

該技術的設計能力在運輸領域尤其有價值，在運輸領域，將更輕的部件集成到車輛中是提高燃油效率的關鍵。例如，在航空領域，通用電氣的FAA認證GE9X發動機集成了300多個3D列印零件，包括整合的燃料噴嘴尖端。與以前的發動機系統相比，這些印刷零件的輕質設計使燃油效率提高了10%。[4]

在汽車領域，3D列印也用於最終用途的生產，尤其是在需要小批量或定制的情況下。美國汽車修復服務公司Tucci Hot Rods定期使用3D列印為客戶生產定制汽車零件。這家家族企業依靠3D印表機（包括兩臺UltiMaker機器）及時、經濟高效地製造汽車改裝，如3D列印儀錶板。得益於這項技術，該公司的生產速度提高了兩倍，並節省了高達90%的成本。在SEMA 2022上，該公司推出了一款2021款福特Maverick，該車集成了大量由PETG製成的3D列印部件，包括擋泥板、制動管、尾翼等。[5] 每個印刷零件在組裝前都經過後處理，從而形成了一輛獨特的緊湊型卡車，利用了AM的定制能力

UltiMaker的金屬FFF功能也被證明在運輸領域具有價值。如今，該公司的可訪問金屬3D列印功能有很多例子（可能得益於UltiMaker S5、金屬擴展套件和巴斯夫Ultrafuse®不銹鋼絲的組合），使運輸製造商能夠生產最終用途的部件。設計和製造柴油發動機的利勃海爾組件Colmar SAS公司為了節省時間和金錢，轉而使用金屬FFF生產發動機支架。這個零件只需要有限的數量，最初在數控加工時花費102美元，需要很長時間才能製造出來。在驗證了金屬FFF的應用後，利勃海爾組件公司優化了支架的設計，使最終組件的承載能力是機加工支架的三倍，品質比機加工支架減少了60%。印刷零件還將成本降低了近一半，並顯著加快了交付週期。

這只是眾多案例中的一個。川崎汽車公司為摩托車設計零件，現在用巴斯夫Ultrafuse®17-4PH 3D列印換檔杆 不銹鋼。這些零件比鋁制零件更耐腐蝕，而且成本效益更高。除此之外，這家摩托車製造商現在可以為不同的騎手定制換擋杆。Schwartz Off-Road Motorsportz（SORM）在生產其獨一無二的SxS Pro Mod賽車時也使用了金屬FFF。具體來說，它將支架組件從碳纖維尼龍升級為17-4PH不銹鋼。金屬FFF使SORM能夠定制零件並實現更大的耐溫性。

未來創新的機遇

如果我們看看交通運輸的當前趨勢，特別是汽車行業的趨勢，很明顯，3D列印是推動這些趨勢的關鍵技術之一。例如，增材製造被積極用於電動汽車的開發，用於原型設計和生產零件，包括必須緊湊並設計為最佳匹配的電池外殼。電動汽車還從3D列印實現的輕量化中受益匪淺，因為重量會影響電池里程。[6]

3D列印的最終用途零件。圖片來源：Ultimaker

3D列印在高性能超級汽車的開發中也至關重要。在超級汽車製造商Briggs Automotive Company（BAC），UltiMaker的S5生態系統是其最新車型Mono R的開發和生產的核心。據該公司稱，Mono R超級跑車集成了44多個3D列印零件，包括結構發動機部件、翼鏡支架和燈圍。該技術使該公司能夠測試其高性能汽車的新設計並探索創新解決方案。正如BAC的設計總監兼聯合創始人Ian Briggs所說：“UltiMaker生態系統使我們能夠將生產的所有不同方面結合在一起，不斷優化並存儲在一個位置。”

建立更可持續的做法和迴圈經濟也是運輸業更加重視的一個關鍵優先事項。正如我們所看到的，3D列印通過生產更輕的零件在這方面起到了幫助作用。但運輸公司也有追求可持續發展的途徑。

以荷蘭航空公司荷蘭皇家航空公司為例，該公司通過將航班上的PET水瓶改造成3D列印細絲，在創造迴圈經濟方面取得了長足進步。這種細絲用於生產功能部件，如發動機葉片風扇罩，在噴砂過程中保護發動機葉片的零件。這一過程為風機葉片表面的各種處理做好準備，如油漆去除和塗漆、除油和除鏽以及一般清潔。通過使用UltiMaker系統和回收燈絲，荷航能夠高效、可持續地生產這些功能部件。[7]

鐵路和海運等其他運輸部門正越來越多地意識到附加技術的潛力。多虧了AM，列車MRO服務和德國鐵路和ÖBB等鐵路公司現在能夠對難以或不可能採購的列車部件進行逆向工程和3D列印，從而縮短了列車的停機時間。[8] 越來越多的可用材料，包括高溫熱塑性塑膠和阻燃絲，再加上UltiMaker等開放材料平臺，也為功能性鐵路和運輸部件創造了新的機會。例如，在奧地利鐵路公司ÖBB，工程師們目前正在評估使用UltiMaker系統和Ultrafuse不銹鋼絲製成的3D列印不銹鋼部件的概念驗證。這家鐵路公司還採用添加劑解決方案來簡化其供應鏈，這得益於及時生產，並最大限度地減少庫存和運輸需求。

在海運行業，據說該行業占世界貿易的80%以上[9]，3D列印有可能支撐脆弱且低效的零部件供應鏈。在這方面，Wilhelmsen航運公司率先開發了一個認證備件的數字庫存，該庫存可以列印在船上進行現場維護，也可以在最近的港口列印，以縮短更換零件的交付週期。[10] 這種方法縮短了供應鏈，不僅簡化了備件的採購方式，還通過減少運輸排放來提高可持續性。

在所有運輸行業中，3D列印的實施正在釋放效益和效率，包括縮短交付週期和加快上市時間；更大的生產靈活性和工廠生產線的增加；提高設備效率和操作員的安全性；精簡業務和縮短供應鏈；以及更高效的倉儲和庫存操作。

結論

從海洋到天空，像UltiMaker的FFF生態系統這樣的3D列印解決方案正在幫助改變所有運輸行業。汽車、航空、鐵路和海事領域的工程師、原始設備製造商和MRO正在其運營中體驗3D列印的好處，並不斷探索利用該技術縮短交付週期、節省成本和開發新創新的新方法。

參考文獻

1.2019年至2022年全球汽車製造業收入[互聯網]。Statista。2023年8月28日。可從以下位置獲得：https://www.statista.com/statistics/574151/global-automotive-industry-revenue/

2.汽車3D列印市場：2030年趨勢預測[互聯網]。Delvens。2023年1月。可從以下位置獲得：https://www.delvens.com/report/automotive-3d-printing-market-trends-forecast-till-2030

3.到2021年，航空航太和國防增材製造市場價值將達到1301億美元[互聯網]。財富商業洞察。2022年3月30日。可從以下位置獲得：https://www.globenewswire.com/news-release/2022/03/30/2412529/0/en/Aerospace-Defense-Additive-Manufacturing-Market-to-worth-USD-13-01-Billion-by-2021-2028-Aerospace-Defense-Additive-Manufacturing-Industry-CAGR-of-19-51.html 

4.3D列印噴氣發動機：認識將3D列印帶入全球最大噴氣發動機GE9X的年輕工程師團隊[互聯網]。通用電氣，2020年1月26日。可從以下位置獲得：https://www.ge.com/additive/stories/3d-printed-jet-engine-meet-team-young-engineers-brought-3d-printing-inside-ge9x-worlds-largest

5.曼迪真的。SEMA[互聯網]的3D列印定制卡車。Youtube。2022年4月16日。可從以下位置獲得：https://www.youtube.com/watch?v=q8nky814iE

6.謝，大衛。AM如何迎來新一代電動汽車[互聯網]。VoxelMatters。2023年1月2日。可從以下位置獲得：https://www.voxelmatters.com/how-am-is-ushering-in-a-new-generation-of-evs/

7.達到新高度：3D列印和航空航太[互聯網]。UltiMaker。2023.可從：https://ultimaker.com/learn/reaching-new-heights-3d-printing-and-aerospace/

8.DB[互聯網]的3D列印。德國鐵路。2023.可從： https://www.deutschebahn.com/en/3d_printing-693510

9.《2021年海運回顧》[互聯網]。UNCTAD。2021。可從： https://unctad.org/publication/review-maritime-transport-2021 

10.哈肯，埃勒克亞爾。3D列印：為備件提供更強大、更有彈性的供應鏈[互聯網]。威廉森。2023.可從： Ellekjaer, Hakon. 3D Printing: Offering A Stronger and More Resilient Supply Chain for Spare Parts [Internet]. Wilhelmsen. 2023. Available from: https://www.wilhelmsen.com/ships-service/digital-ventures-mp/3d-printing-Offering-A-Stronger-and-More-Resilient-Supply-Chain-for-Spare-Parts/