什么是更复杂、更精密、面向产业化的下一代3D打印？科技讲台专家返场答疑

宝马汽车是碳纤维复合材料应用的引领者。宝马批量应用碳纤维的车型主要是i3、i8、7系和iX。宝马在2013年发售的i3和2014年发售的i8，首次在量产车上使用了碳纤维复合材料（CFRP）单壳体车身，而且在2016年上市的主打车型宝马7系的基础骨架上，不仅采用了铝合金，还采用了碳纤维复合材料。

2022年上市的宝马iX，并未延续采用宝马i系列（i3&i8）的全碳纤维车身，而是在7系（Carbon Core）的基础上的延续。宝马iX一共有7个碳纤维部件，分别应用在顶盖横梁、A柱上边梁、侧围加强件和尾部加强件，其中外观可视的是侧围与尾部加强件。

在碳纤维复合材料的探索上，宝马一直在前行。2022年，宝马揭示了与慕尼黑工业大学合作通过3D打印与自动纤维铺放（AFP）技术，以更低的成本制造碳纤维复合材料部件的进展。本期，3D科学谷将分享这一进展，并剖析3D打印技术在其中的应用逻辑。 回顾2019年，德国宝马在一个名为MAI Skelett 的开发项目中，展示了一款碳纤维复合材料制造的前窗框架。该部件的设计采用了单向碳纤维增强热塑性塑料拉挤件来取代以前的热固性复合材料技术。这是一种由两个步骤组成的“骨架”设计工艺，首先是制造出热成型拉挤件，然后对其进行包覆注射成型。 这一工艺与复合模塑工艺(overmolding) 类似，该工艺过程涉及热塑性复合材料层压板的热成型及随后的二次注塑。这种近净成形生产工艺非常适合复杂三维结构部件的规模化、自动化生产，所制造的部件产品能够很好地满足结构功能一体化的设计要求。不过根据宝马供应商德国西格里碳纤维（SGL Carbon）相关技术人员的观点，复合材料制造工艺在此基础上取得了进步。 而这些进步则得益于“骨架（ skeleton）” 设计工艺。正如宝马在MAI Skelett项目中首次证明的那样，通过这一工艺在75秒的节拍内就能够制造出复合材料顶盖构件，性能超过了以前部件的所有要求。2020年，西格里碳纤维和德国Koller Kunststofftechnik 公司一起，获得了宝马的多年订单，开始为批量生产宝马车前窗和后窗框架中的热塑性碳纤维增强材料构件。 宝马在推动“骨架” 设计工艺走进量产的同时，也在继续探索更加优化的工艺。因为目前的注射成型用的模具非常昂贵，宝马的目标是，获得一种完全能与MAI Skelett项目相媲美但是成本更低的解决方案。在此背景下，宝马与慕尼黑工业大学合作，研究如何利用3D打印来降低此类部件的注射成本。 慕尼黑工业大学多年来一直在开展各种项目研究，探讨如何将传统的复合材料生产工艺如自动纤维铺放（AFP）与采用连续纤维增强材料的3D打印结合起来。为了对Skelett车顶框架进行下一代的革新，研究人员采用两种不同的3D打印工艺与连续碳纤维增强热塑性塑料制成了两个不同的示范部件。