3D打印正在催生的轮胎制造革命

轮胎花纹是重要而又复杂多变的加工难点,其加工的精密程度直接影响到轮胎的精度和质量,甚至是轮胎的安全、驾驶的舒适度等等。花纹的结构往往呈现出空间三维扭曲、轮胎花纹具有弧度多、角度多的特点,采用传统的加工手段难以精准完成,即使采用电火花加工工艺也存在一些难以解决的问题。

3D打印正在催生的轮胎制造革命
始于性能需求破局于制造技术变革

米其林与法孚合作,通过金属3D打印设备进行米其林轮胎模具的研发与制造,突破了传统铸造与机加工技术难以实现的复杂纹理制造(视频:米其林3D打印轮胎模具)。

传统上,在轮胎花纹的加工过程中,其加工工序高度集中,主要以铣加工为主,但因为加工的角度、转角等不统一,有些花纹还有薄而高的小筋条或者窄而深的小槽,甚至是表面不规则的坑坑洼洼结构,所以其对刀具的要求比较高。

3D打印正在催生的轮胎制造革命
图片:轮胎模具加工的几种工艺,来源:3D科学谷

由于子午线轮胎活络模设计与制造难度体现在模具的工作型面精度不易控制、开模与合模机构的协调及分型面加工要求较高等方面,子午线轮胎活络模具型腔曲面构造方法对模具的工作型面有较大的影响。另外机加工中刀具路径规划算法一旦出现失误,也会直接影响轮胎的质量。3D打印技术可以完成传统机加工难以实现的形状复杂度,更复杂、更好的抓力和稳定性能无疑是高附加值轮胎的抢滩高地。

不仅是精度的问题,由于轮胎模具的很多花纹过深,在刀具的加工过程中,还会发生干涉的现象,这对花纹的设计带来了不少的限制。而介于轮胎的更新换代周期变得越来越短,这都对设计、机床编程、刀具配置与采购等等带来了相当大的压力。

而金属3D打印很好的解决了刀具干涉的问题,当复杂性与可制造性不再是困扰轮胎模具制造的最大因素的时候,3D打印很好的释放了轮胎产品设计迭代的便捷性,也催生了新型的轮胎制造能力。

3D打印正在催生的轮胎制造革命

米其林已经感觉到增材制造的潜力,并声称唯一的限制是设计师的想象力,通过3D打印技术,米其林设计出独特的雕塑系列轮胎MICHELINCrossClimate+并通过安全认证,使得米其林的轮胎在市场上更具竞争力。

—- 3D科学谷 Review

轮胎产业

轮胎模具对应的是轮胎业,根据产业信息网,世界轮胎行业高度集中度,根据2016年度全球轮胎75强排行榜,销售额超过百亿美元的企业有普利司通、米其林、固特异和大陆 4 家,2015年合计销售额717.55 亿美元,占全球轮胎销售额 1,601.35 亿美元的 44.81%。这些主要厂商具备雄厚的资金实力和研发能力,引领着世界轮胎行业的发展方向。而根据3D科学谷的市场研究,大陆也已经开始批量采购德国EOS的金属3D打印设备用于轮胎模具的开发与制造。

中国轮胎工业发展迅速。在 1950年前,轮胎年产量不足 3 万条;到 1980 年,轮胎产量已达到 1,146 万条;2005年,中国轮胎产量达到 2.5 亿条,超过美国的 2.28 亿条,成为世界第一轮胎生产大国。如今,我国已经成为全球轮胎最大的消耗国,也是最大轮胎生产国和出口国。

然而轮胎这一行业并非是一路高歌猛进的,根据美国《轮胎商业》公布的 2017 年全球前 75 强轮胎企业排行榜,全球轮胎销售收入从 2013 年出现拐点,2015 年和 2016 年均出现非常大的降低幅度,相比 2013 年下降了超过 300 亿美元。这跟最近两年全球轮胎市场整体形势比较低迷有关,产能过剩,市场饱和,低价竞争导致所有轮胎企业的销售额再也无法像之前一样突飞猛进,整个轮胎市场进入一个销售整合期。

不过由于安全方面的考量,国外对轮胎的耐磨系数等标准有严格的要求,一般车辆行驶一定里程后都要求更换轮胎。2015年轮胎的替换需求增速为2.2%,而新增轮胎的需求增速则为1.0%,替换需求的占比2015年回升至72.8%(2014年为72.6%),为7年来最高。根据产业信息网,随着中国等新兴经济体汽车增速的下滑,轮胎的更换需求将继续占据主导地位。

然而,根据产业信息网,由于环保的要求,我国轮胎制造业不容乐观,目前国内轮胎制造企业 500 余家,主要分布在山东、浙江等地,轮胎行业生产主要集中地多属于京津冀及周边“2+26”城市大气污染防治强化督查区域,加之轮胎行业属于高污染、高能耗产业,轮胎供给端有望持续收缩。2016 年以来山东、上海等地多家落后产能被关停淘汰,且以全钢子午胎产能关停居多,加之新增产能受限下,全钢胎产能增速逐明显放缓。未来伴随环保高压持续,国内轮胎生产企业有望逐步减少,行业集中度将稳步提升。

轮胎模具产业

而无论如何,轮胎的市场发展都直接影响着轮胎模具的发展。虽然是喜忧参半的发展前景,但是轮胎模具的集中度高,技术壁垒高,3D科学谷认为这都为3D打印的引入带来了优势。具体来说轮胎模具是用于硫化成型各类轮胎的模具。轮胎模具分类1:活络模具,由花纹圈,模套,上下侧板组成。活络模具区分圆锥面导向活络模具及斜平面导向活络模具 2:两半模具,由上模,下模两片组成。

2015年全球轮胎模具市场大约有 115-153 亿规模,并且每年保持温和增长。轮胎模具的制造厂商分为专业模具制造企业、轮胎企业自己的模具车间两大类。由于轮胎模具定制化程度较高,模具生产企业大多规模较小,目前市场上产能最大的模具厂商为中国的豪迈科技、巨轮智能、德国的赫伯特、韩国的世和模具公司等。

中国生产轮胎模具的企业约100家左右,规模以上的约30家左右,主要包括山东豪迈、广东巨轮、开阳模具、山东大王金泰、山东万通模具等,其中,产能达到2000套以上的有七家企业。市场领导者为山东豪迈科技和广东巨轮。其中山东豪迈,广东巨轮等,不仅仅实现了规模化的生产,颇有迈向国际化的趋势。

根据3D科学谷的了解,山东豪迈现已成为世界轮胎模具研发与生产基地,年产各类轮胎模具20000套,与全球前75名轮胎生产商中62家建立了业务关系,是世界轮胎三强米其林、普利司通和固特异的优质供应商,轮胎模具国际市场占有率25%以上,轮胎模具出口额占国内同类产品的90%以上。

3D打印正在催生的轮胎制造革命

根据3D科学谷的市场研究,山东豪迈已经将金属3D打印技术用于轮胎模具的研发中,并拥有铂力特等金属3D打印设备,从而再一次奠定了市场竞争中的优势,获得后来者难以逾越的经验积累的时间优势。

参考资料:产业信息网

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