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汽车 2016-1-20 14:17

还想靠电动车拯救地球环境?3D 打印或许更加值得尝试

让我们看看 Blade 这台跑车吧。它从 0 加速到 60 英里只需 2.5 秒,拥有 700 马力,而且,它的最高速度是完全不合法的。典型的跑车参数。

但它与跑车的相似之处也就这样了。Blade 仅有 1400 镑(635.04 公斤)重——不到典型的双座跑车重量的一半——而且,它轻盈的框架仅需少量的压缩天然气就能移动。最重要的是,它是用低能耗的 3D 打印技术打造的。这是一个出自硅谷思维的产品,迫切地想要改变世界。

Blade 是旧金山汽车初创公司 Divergent 科技的 CEO Kevin Czinger 的梦想产物。Czinger 说,经过长期验证,即使是与新的特斯拉 Model X 等电动 SUV 相比,3D 打印的汽车 Blade 对环境的损害只有它们的 ⅓。“如果我们只制造 5000 镑(2268 公斤)的 SUV,我们能够毁灭这个星球,” Czinger 说,“我们必须制造更轻量、更高效的汽车。”

the Blade

我们经常看到载货卡车排放的尾气,并且认为那是一个需要解决的重大问题。但是,Czinger 争辩说,我们把太多时间浪费在对排气管的忧虑上了,其实,我们应该重新思考整个制造流程。在传统汽车对环境的破坏中,燃料和行驶占据的份额不超过 ⅓。该数据来自 Czinger 喜欢引用的一份 2009 年全国科学研究院的报告。其它的份额来自汽车的制造过程:从地面上吊起所有的金属,锻造、移动、切割、钻孔,并且将它冲压到底盘和面板上。

根据那份报告,制造电动汽车是更加有害的过程,因为,相比汽油驱动的车辆,电动汽车需要的能量和产生的排放多出 20%。它们的电池使用了钴和锂,而这些金属的提炼和精炼需要消耗更多的能量(有时候,这些金属来自冲突地区)。电池的制造过程中,工人可能会吸入有毒气体,再循环也是一个复杂的事情。如果你再考虑一下车辆的使用寿命,那么,特斯拉、Leaf 和 Volt 看起来就不是那么绿色了。

21 世纪中期,地球或许会增加 2.5 亿人,占据路面并产生碳排放的汽车也会翻倍。因此,毫不奇怪的是,Google、苹果这样的科技公司,还有一些初创公司都在抢着发布自己对未来交通的设想,而且,他们通常会提到技术加持的环境或安全优势。

对于 Kevin Czinger 来说,前方的道路已经非常明显。“要大幅度减少汽车排放的温室气体,杠杆的支点显然是生产过程,” 他说,“我们需要大幅度减少设计和生产汽车的过程中消耗的材料、能源和资本成本。”

目前,一小部分汽车企业家试图重建汽车的完整制造流程。Czinger 就是其中的一个。他们想用 3D 打印机制造汽车,从而使得碳排放量大大低于传统的生产线。他们想使用随时会变化的设计,并且随时应用最新的自动驾驶技术。在此过程中,他们想要创造更多的就业,减少交通死亡人数,并且引导一场创意大爆炸,从而大大改善我们道路上行驶的车辆的多样性。

要全面理解他们的美妙想法,你必须乐意去梦想一下,但是,这并不是说,他们只是在夸夸其谈。如今,Czinger 已经推出了 3D 打印的 Blade,而 Local Motors 的 CEO Jay Rogers 正在对公司刚在 8 月份设计完成的汽车进行道路测试。“历史告诉我们,创造性的颠覆过程就像热刀切过奶油,要经过行业中效率最低的部分。” Rogers 说。

要理解硅谷对抗底特律的最新战况,我们需要回头看看一切的源头。

Ford factory

1909 年,汽车时代的黎明,那时候费力组装一辆 Model T 需要 12 小时。然后,亨利 ·福特想到了流动生产线的概念,组装中的汽车从一个工作站移动到下一个。1914 年,福特的生产线能够在 90 分钟内组装一台 Model T。质量改善,价格下降,大众能够享受到个人交通工具了。如今,美国最受欢迎的汽车,福特 F-150 皮卡,在永不间断的金属、玻璃和塑料的迷雾中流出工厂,年产 80 万辆。

这种节奏依赖于一个观念:无论多么复杂的制造过程,只要将其分为简单、可重复的任务,那么,它就可以发挥出最大的效率。把这个铁条焊到那个面板上。把这个灯安装到装置上。把这个部件连到那个交叉口上。下一个!

现代的汽车通常有 2 万个独立部件,由一组精心编排的机器组装,每台机器只专注于一项功能(加上一些监督和服务的人类)。但是,从头建造一个汽车工厂需要 5 年时间,花费 10 亿美元,而且,如果要制造一款全新汽车,仅仅一个工厂的改造就是极为昂贵的。据估计,如果大众做这件事,大约需要花费 2 亿美元。

这就是这些汽车企业家想要把握的机会。他们开发了一种名为增材制造的流程。意思就是,从最基础的材料制造整件东西。你或许见过 3D 打印的珠宝或者小装饰品。这些物品是由 MarkerBot 打印的。MakerBot 把塑料线加热,然后一层一层挤压,就像是牙膏一样。

LM Lab

这个过程能够创造出复杂和非常美丽的结构,超越了传统模具或者手工雕刻的产品。但是,要把 3D 打印应用到汽车工业,我们还需要一个富有想象力的加拿大拖拉机设计师。来自温尼伯的大胡子工程师 Jim Kor 被认为是第一个使用增材制造打造汽车车体的人。

Kor 早就梦想着制造一辆超级高效、太空舱样式的汽车,名为 Urbee。2007 年,一件事情驱动了他:进步保险汽车 X 大奖出现了。这是一个奖金 1000 万美元的竞赛,参赛者需要制造一台可量产的汽车,能用一加仑油行驶 100 英里 。凭借农场机械方面的经验,Kor 带着过去的拖拉机设计闯入比赛,制造了一个 60% 比例的黏土模型。他把模型做了电子扫描,目的是进行空气动力学模拟,然后,他计划下一番苦工,手工从泡沫和木头中雕刻出汽车的车体,或者使用昂贵的数控车床。

但是,在与增材制造的先行者 Stratasys 的工程们会面后,Kor 开始考虑使用一种常见的塑料 ABS 3D 打印汽车车体。这种材料广泛应用在排水管、皮划艇以及汽车保险杠上。他说:“当我看到 Stratasys 能够打造的部件尺寸后,我想,让我们试一下这个吧。”结果,打印出来的 ABS 面板能够完美地匹配车体。

LM Windsheild

制造一个小型的、太空舱样式的汽车是可行的,但是,如果 3D 打印真正发挥作用,那么,它必须能够制造更大的汽车。

LM Light

该是 Jay Rogers 和 Local Motors 上场了。通过把众筹带到汽车设计,Rogers 已经开始颠覆汽车的制造流程。他的公司的首款汽车是一辆噪音极大、后末日风格(但可以合法上路)的肌肉车,名为 Rally Fighter。这款汽车是 500 名志愿者在线合作的成果。从汽车的风格到悬挂,他们设计了一切东西。Rogers 和一个小团队的汽车工程师会告诉众人说,汽车需要一个前灯遮罩,然后,团队会评判众人的反映。

在一个名为“microfactories”(微型工厂)的小型工作室里,汽车被一块一块的组装起来。“公司在凤凰城的首个 4 万平方英尺的微型工厂,看起来就像是车库、工厂和教室的混合物。汽车由一个机械工程师团队组装,而汽车将来的购买者也来帮忙。如此耗费精力、工匠式的工作方式意味着,微型工厂每年仅能生产 100 辆 Rally Fighters,每辆汽车的售价是 10 万美元。Local Motors 说,它将在凤凰城工厂外的 Knoxville 开放另一个微型工厂。在今后的五年里,它会建造 50 多个微型工厂和小型实验室。”

LM factory inside

Rogers 意识到,3D 打印能够逐渐地加快生产速度,降低生产。因此,2014 年,Rogers 开始制造第一台实验性的 3D 打印汽车,名为 Strati。他的合作者包括田纳西的橡树岭国家实验室和工具制造公司辛辛那提股份有限公司。辛辛那提公司开发了一种名为大面积增材制造(BAAM)的技术。它类似于家用 3D 打印机的技术:融化 ABS 塑料,不过,加入短切碳纤维,以增强材料的强度,然后,将其层层精密地压制起来。不过,MakerBot 只能打印桌面装饰物,而 BAAM 则能够打印 20 英尺高、9 英尺宽、6 英尺长的物品。它足以一次打印出整个 Strati。

LM Design

“增材制造过程让我们把许多东西融合为一个部件,” 橡树岭国家实验室的制造系统研究组的主管 Lonnie Love 说。“多数汽车由 2 万多部件组成,我们将数量降低为大约 50 个。” 一旦车身被打印出来,剩余的部件——比如电动机、电池、车轮、车灯、座位和控制器(多数以传统方式制造)——能够被快速的手工添置到车上。

有了经验之后,他们制造汽车的进程更快了。当能源部最近要橡树岭国家实验室制造一辆新款汽车时,Love 和团队设计和打印了一台纯电动汽车,复刻自经典 Shelby Cobra 运动车。他们仅仅用了 6 周时间。Love 说:“从打印汽车的计划到一辆能够奔跑的汽车,花了 6 个月时间。这是从未听闻的事情。6 个月的时间太疯狂了。”

打印的过程也在不断加速。从 2014 年夏天每小时注入 10 磅原材料,6 天完成一台 Strati 的打印,进步到每小时注入 40 磅原材料,一台 Strati 只需要 2 天就能够打印完成。一年后,大规模增材制造技术已经可以以接近每小时 100 磅的效率进行打印,足够在少于 7 小时内生产一辆汽车。

LM Powder

打印汽车的速度越快,成本就越低。一台大面积增材制造 3D 打印机的成本为 50 万美元,每小时的运作成本大约是 100 美元。加入 500 磅、每磅成本 4 美元的碳纤维增强热塑料,橡树岭国家实验室可以把打印一台 Shelby Cobra 的成本控制在 3000 美元以内(作者注:你仍然需要为购买轮胎、座椅、传动系统和高质量的复古喷漆付费)。一台以传统方式制造的复刻版 Cobra 成本超过 4 万美元。

LM Node

Divergent 正在使用不同的增材制造技术制造 Blade 超级跑车。Czinger 认为,像 Strati 那样使用 ABS 打印整个外部车身生产的汽车非常重。作为代替方案,Divergent 把碳纤维管和 3D 打印的、被称作“节点”的金属支架结合起来,制造 Blade 的内部车架。

强大的光束把金属粉末烧结至定制的形态,从而形成了“节点”,然后通过手工把碳纤维管与其结合。有了节点和碳纤维管呈现的强度和碰撞保护,Divergent 宣称车身外部嵌板几乎可以用任何轻质材料(甚至是纸张)制成。

Czinger 表示,通过简单地修改软件,同样的机器可以打印跑车或小货车。“这些结构可以以一种模块化的方式非常快速地组合起来,制造从双人跑车到皮卡车的任何形态……并且耗费的成本只是金属加工和冲压所需成本的一小部分。”

Divergent Office

Divergent 希望能够从明年开始接受 Blade 的订单,并尽快在 2017 年交付使用。Local Motors 也是同样地充满野心,在本月早些时候宣布第一款 3D 打印量产车——LM3D,将会在 2017 年早期上市,售价约为 5.3 万美元。

Love 与 Shelby Cobra 之间的缘分给了他一个启发:“Local Motors 比他们意识到的更加富有革命性。他们不只是在消灭汽车制造设施,而是彻底地改变着整个供应链。”Love 指出,一个汽车经销商的平均成本是数百万美元,跟 Local Motors 位于凤凰城的小型工厂一样。为什么不把这个两者结合起来?一个客户可能会走进工厂,和工程师坐下来设计汽车,在接下来的几天里完成打印。

LM Factory outside

颠覆一个完全全球化的、价值 9 万亿美元的百年行业是充满险阻的。把汽车的重量从 5000 磅下降到 1400 磅带来的重大安全问题还没有出现。提高 3D 打印的规模化和效率水平,使其不仅仅是小规模炫技的想法还是一个没有解决的问题。没有人真的能够确定大规模的 3D 打印是否真的能比现在的技术更加环保(以激光烧结为例,这种技术消耗的每公斤能源比量产铝材高 40 倍)。当第一个汽车制造商快速更新它们的产品时,监管难题或许也会出现。

LM Worker

我有一个设想:从附近的打印机那里设计自己下一台车,当我向 Mark Stevens 描述这个设想的时候,这位就职于密歇根非营利汽车研究中心的生产专家放声大笑。他说:“你想要按需随选地打印汽车,在我们这一辈子里都不会成为现实。”它的问题是这样的制造方法能够有怎样的规模。“在他们打印一台汽车的同时,一个传统的生产线能够制造一百台汽车。”

Divergent 的 Kevin Czinger 承认“我们唯一的最大的挑战就是让汽车制造商和我们一起努力。”他希望明年与一家主流汽车制造商签署一份合作开发协议,开发比 Blade 更加主流的新汽车,在一年内卖出 10000 台。

Urbee——Jim Kor 的小型个人快速交通系统,在这里会非常有建设性。它的小公司没办法赶上 X Prize 比赛的截止日期,最后不得不放弃了这个比赛。当他真正完成了 Urbee 的时候,这个电动/乙醇混合动力两座小车超越了 X Prize 的目标,高速公路续航里程达到了 200 mpg。X Prize 的组织者很佩服他,推动 Kor 开设了一家公司。可惜的是在持续寻求了一年的融资后,他没能够凑到他需要的资金。Kor 现在认为能让 Urbee 上市的最佳方式是向其他制造商授权使用他的设计。

与此同时,Local Motors 的 Jay Rogers 希望模仿苹果新款 iPhone 升级计划,用户可以为使用最新的手机支付固定的月费。“我们将会很快地改变这些‘设备’,如果你不让客户认为自己拥有这些产品,可能是更好的方法,”他说。“我想成为把在路上行驶的自动驾驶汽车开放给用户购买的第一人。我想在下个月拥有新的传感器,让我的车变得更好;再下一个月我想升级电池,当然还有很多可以升级的部件。”

这样的模式有非常明显的问题。尽管增材制造可以缩短生产时间,减少排放和成本, 消灭重型机械,汽车不能缩减为软件。它是一个体积很大的实体,必须高效、安全地运作很多很多年。如果一个雨刮出现了故障,设计有缺陷的电池过热,你没法通过 OTA 更新解决这些问题。

一个像 Local Motors 的小规模分布式公司怎样才能开发出自动驾驶系统这样的复杂东西,然后确保这个系统在一系列汽车上完美运行呢?毕竟没有哪两台车是完全一样的。果不其然地,Rogers 建议转而从大众的层面思考,他说:“如果我把最初版本的我的汽车给予一百个社区用户,挑战他们,让他们帮助我更快地进行开发呢?”。“我们会告诉社区里的人,以 Waze 和 Google 地图竞争开发交通避障软件的速度开发预防碰撞系统。”

作为回报,用户可以得到游戏化的激励,比如积分或者提前购买新汽车的机会。如果这台车卖的很好,他们还有可能得到报酬,尽管 Rogers 坚称他会“引入维基百科的规则而非 Google 的资金。我们会让你感到骄傲。”

政府监管部门会怎样应对按照维基百科的思想开发汽车软件的行为还有待探讨。Lonnie Love 认为“很多公司还需要解决一个问题:如何在制造个性化汽车的同时保证所有汽车都是安全的,我没法预测这会在什么时候实现。可能需要 5 年,也可能要等待 50 年。”

但如果这个模式里有些事情能让硅谷感兴趣,那就是从小型和廉价开始,惹恼监管部门,利用群众的力量。现在建造一个汽车工厂是跨国公司耗资数十亿美元,花费十年时间的重大决策。在未来开设一个 2000 万美元规模的小工厂或许只需要创新的汽车设计、几个企业家以及巨额银行贷款。汽车制造可以变得非常本地化,就像是一个个迷你的底特律,单纯地满足本地需求。

Rogers 认为:“在大型汽车制造商产品线之间的利基市场里做生意并不是一种限制,反而是自由。在一个小工厂里一年制造数千台汽车成为了非常有意义的事情,因为如果你能够赚钱,并让客户愿意买这样的车,你就能吸引一大群用户。”

传统的汽车生产商正在缓慢地意识到 3D 打印的好处,最早是为了代替工厂里的工具和那些用昂贵、稀缺的金属制造的固定器械。很多年里,奢侈品牌,比如奔驰、凯迪拉克和雷克萨斯曾默默地开发了自动化驾驶系统,如自适应巡航控制和车道偏离报警,但是,它们的风头却被 Google 和特斯拉的自动驾驶汽车项目抢去了。汽车行业肯定不想再次落后了。

LM november

同时,增材制造也在以硅谷的节奏不断进步。如果 3D 打印技术的效率、成本和能耗控制继续保持快速发展,如果新的软件开发工具能够使设计和测试变得更加民主化,如果监管部门和公众能够拥抱接下来汽车多样性的“寒武纪爆炸”……还有很多的“如果”有待成真,结果会是史诗级的对抗。

3D 打印汽车的拥护者多次强调了他们最感兴趣的论点:增材制造可以变得比传统的方法更加节能。仅仅是这个变化就会推动这种技术的应用,但它的好处不只是没那么糟糕。创新的进步可以弥补生产效率的降低。距离我们在 Kickstarter 上看到一台众筹汽车可能只是时间问题。Love 说:“我认为整个行业可以围绕快速的交通变革建设,这就是革命。”

本文全文译自 Medium,原文标题 Why Your Next Car Should Be 3D Printed。作者 Mark Harris,这篇文章通过 Divergent 公司、Local Motors 公司和 Jim Kor 等人的经历探讨了 3D 打印汽车的优势、可能性以及未来的发展趋势。爱范儿积木、麦玮琪翻译出品。

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