综述
2022年1月4日，CES 2022开幕前夕，奔驰旗下全新纯电动概念车VISION EQXX正式全球首发。该车通过极致的风阻、重量、效率等达到了1000km的续航里程，引起了行业内外的关注。
在这款车中，奔驰提到了BionicEngineering和BionicCast等概念。Bionic概念通过从自然界的动植物上汲取结构设计的灵感并应用到实际零件中，达到了轻量化的目的。要实现这一的概念需要两方面的技术：
• 结构设计优化（拓扑优化）
• 零件成型（3D打印、铸造）
来源Bionic灵感
EQS中使用BionicCast的几个零件结构优化
这里的结构优化通常指拓扑优化（Topology Optimization）。是指在零件设计的早期阶段，在一定的空间范围内，在某一种或者多重载荷条件下，寻找最优的材料分配方法（传力路径）从而达到在重量尽可能轻的情况下，达到最大的结构强度或者刚度。
底盘摆臂拓扑优化
支架拓扑优化道理大家都懂，但是臣妾做不到。限制这种优化的主要瓶颈就是零件的成型工艺。当前的大部分材料和成型工艺是无法完全按照拓扑结果直接制作零件的。直到3D打印技术的出现。
3D打印
金属3D打印技术正是因为可以最大限度的还原拓扑优化的结果，达到极致的轻量化效果从而受到航空航天行领域的推崇，也最先在这两个领域推广应用。这一技术也引起了汽车行业的关注。
材料
铝合金是3D打印中最常用的材料。3D打印所使用的铝合金和铸造铝合金类似，主要时AlSi10Mg和AlSi7Mg。由于内部致密度更高，机械性能比正常的真空高压压铸高30%左右。下图是GE的A205合金3D打印的机械性能，抗拉和屈服强度高出普通的真空高压压铸不少，但是延伸率略低。因为含镁以及硅，同样可以像压铸铝合金一样通过热处理来提升机械邪能。至于热处理过程中的高温造成的零件偏差，可以通过打印过程中尺寸的调整来补偿。需要注意的是，3D打印的零件材料性能在材料生长方向H和垂直材料生长方向V上有一定差异。由于3D打印原本成本就非常高，因此材料单价更高的含钪铝合金（Scalmalloy），材料性能还可以进一步提高。
GE A205合金机械性能工艺
SLM（Selective laser melting ）选则激光融化技术是其中比较成熟的一项技术。单激光头的成型速度大约是50-100cm3/h,换算成重量是135-270g/h。目前也有多激光头技术。一般车身结构件的重量在几公斤到几十公斤，那打印时间就是好几十个小时一个零件。基本量产无望。
金属3D打印技术路线限制3D打印的另一个因素就是价格了。在短期内，可以达到的单位体积价格最低大概是0.4欧每立方厘米，如果是铝合金的话换算成公斤单价的话，大约是1000RMB/kg，大约是当前高压铸铝件的20倍，普通钢冲压件的100倍，甚至比碳纤维零件（湿法模压工艺）都要贵4倍。
奔驰的尝试
奔驰在以往车型上和过往的概念项目中针对铝合金的应用进行了一些列的尝试。在零件选择上，3D打印零件和高压压铸零件的工艺特点比较像，和钣金件相比都有很高的设计自由度和很强的成型能力。因此零件选择也相似，后地板结构（含后纵梁、后横梁、部分轮罩及地板）、前减震塔和雨刮支架。奔驰在很多年以前在很多车型上，就使用铸造件制作这些零件。其中比较典型的就是后轮罩/减震器安装点加强件。
下图是奔驰E级的轮罩加强结构，和奔驰C，GLC，GLE，GLS等车都非常相似。这一区域结构复杂，既要满足减震器的安装需求，又要构成相对完整的C环，还要连接地板横梁。同时这一区域对于整车刚度的提升意义重大。因此奔驰在量产车中使用铸件来制作这一区域，达到了不错的轻量化效果。但是和3D打印比还不够优秀。
E class 轮罩加强结构铸件2020年的时候，奔驰和工程服务公司爱达克（EDAG）以及结构优化软件开发商Altair（OptiStruct 的开发商），一起开发了这个零件的3D打印版本。肉眼可见的去除了很多低效区域的材料，达到了显著的减重效果。这个零件显然也不可能量产。
3D 打印轮罩/后减震器安装加强板本文的主角EQXX则在这个基础上又进行了进化，将整个后地板区域都进行了3D打印。考虑到这个零件的尺寸和重量，也有可能是将铸造零件与3D打印零件相结合。从轻量化的角度出发。制作的零件越大，轻量化效果越好。很难说这个零件的设计没有受到特斯拉一体压铸后地板的影响。
EQXX 3D打印后地板而本次发布的另外零个零件，减震塔和雨刮安装支架。由于零件尺寸小的多，存在一定量产的可能。整个零件的成型周期有机会控制到几个小时的样子。存在一定的量产可能（中高端车型）。
近处的雨刮支架和远处的前减震塔替代工艺
刚才也提到了铸造和3D打印时比较相似的工艺，所以还存在一种可能，就是这个零件是一个真空高压压铸零件。奔驰的专利名称叫做BionicCast，所以还是存在这种可能性的。以铸造件的角度看这个零件的话，就会存在两个个问题。首先很多轮罩上的孔区域会存在拔模负角，没有脱模的可行性。其次大面积的掏空会影响铝液在模具内的流动，填充过程中有大量的紊流，影响零件的质量（缺陷增加，机械性能降低）。这些开孔也需要通过其他材料来填充，可能会对轮罩的隔音性能有不利的影响。不过这毕竟是一款概念车，不需要考虑这些实际问题。可以看看奔驰后续的车型上会不会有类似的设计。
BionicCast后地板说到一体铸造后地板，那又不得不提到特斯拉model Y上的一体铸造后地板。零件选择上，特斯拉和奔驰保持了高度一致，原因前文也提到了。和奔驰的最大区别就是前面提到的开孔了。特别是轮罩上的开孔。轮罩和后地板的大部分区域其实对强度要求并不高，对刚度贡献也不大。属于拓扑计算中会删除的低效区域。但是由于铸造工艺的要求 ，为了保证铝液能够填充到零件的最远端，特斯拉将这些区域填满，并选择了一个相对较厚的料厚。所以特斯拉一体铸造的轻量化效果并不会很好。
Model Y后地板其他主机厂
3D打印已经在一些中高端车型中有小规模的量产应用。例如劳斯莱斯中的一些支架类零件、布加迪的刹车卡钳、宝马i8的顶棚支架。即便是i8 Roadster这样的车离普通消费者依旧非常非常遥远。
布加迪刹车卡钳
劳斯莱斯3D打印件
i8顶棚支架结论
• EQXX中的Bionic Engineering是设计零件设计优化、3D打印、高压压铸的一些列技术
• 结构优化的方法和思路值得参考（各大主机厂包括我们都已经在使用这样的优化方法了）
• 3D打印可以完美体现结构优化结构，轻量化效果好
• 由于价格和生产效率问题，3D打印几乎没有大规模量产可能
• 真空高压压铸可以达到接近3D打印的减重效果，但是轻量化效果与3D打印相比差距较大
• 轻量化是需要长期研究反复迭代的工作，任何技术只是轻量化的手段而不是目的
