3D打印技術(shù)在汽車造型設計中的應用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州 545007）

3D打印技術(shù)在汽車造型設計中的應用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州 545007）

本文簡述了3D打印技術(shù)的原理與特點，并對3D打印技術(shù)在汽車造型設計中的應用進行了論述，指出該技術(shù)是汽車造型設計部門提升汽車造型設計質(zhì)量、縮短開發(fā)周期的一種有效手段。

3D打印技術(shù)；汽車造型；應用

前言

隨著3D打印技術(shù)的廣泛應用，產(chǎn)品造型設計開始更具創(chuàng)新性，打破了原來單純的幾何形狀，越來越多的精美造型出現(xiàn)在人們生活中，賦予我們生活空間新的活力。與傳統(tǒng)機器和手工制造相比，3D打印技術(shù)突破了諸多造型、設備和材料的限制，使其制造的產(chǎn)品更加接近設計的本來要求，即使是外觀再復雜的產(chǎn)品都能通過3D打印技術(shù)進行制造，并能保證與原設計的渾然一體。近幾年，3D打印技術(shù)在汽車造型設計中，具有越來越廣泛的應用前景，賦予了類似汽車造型設計新的活力。

1 3D打印技術(shù)的原理及特點

1.1 基本原理

從原理上說，3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，由計算機控制，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，它通過若干層材料的堆疊達到立體效果。

1.2 基本類型

根據(jù)成型工藝的不同，3D打印技術(shù)大體可分為七種基本類型，分別為：光固化成型SLA、熔融層積成型FDM、三維粉末粘接3DP、聚合物噴射Polyjet、選擇性激光燒結(jié)SLS、選擇性熔化成型SLM、分層實體成型LOM。每種類型都有其優(yōu)缺點，如：SLA成型速度快、成型精度高，但設備購置費用高，耗材、維護成本也高；而FDM成型材料種類多、強度高、尺寸也大，但成型時間較長、精度不高。因此，在具體的產(chǎn)品制造時，應根據(jù)要求具體分析，選擇最佳的成型工藝。

1.3 主要特點

（1）技術(shù)集成度高，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。3D打印技術(shù)的應用使得設計與制造融為一體，設計方案能很快變成實物樣品，以便快速驗證、定型并得到用戶的確認。不需專門的工裝夾具和模具，所需時間比傳統(tǒng)設計方法大大縮短。

（2）制造柔性高，能對設計進行反復修改、核實和優(yōu)化。傳統(tǒng)制造方法制作樣件的周期長、費用高，還需要耗費較多的時間進行反復修改和驗證。用3D打印技術(shù)只需改CAD數(shù)據(jù)，就可制造不同形狀的零件模型，可在短時間內(nèi)進行多次設計迭代、驗證，可以得到相當完美的設計。

（3）可視化程度高，將創(chuàng)意設計變成三維實物，使其可視化，成功地解決了CAD三維造型“看得見、摸不著”的問題。3D打印技術(shù)免除了人們對復雜圖紙和三維數(shù)據(jù)的閱讀理解過程，能夠形象、直觀地觀察到所設計物體的真實形狀，特別是復雜、精細的產(chǎn)品，已經(jīng)可以實現(xiàn)在0.01mm的厚度上單層600dpi的分辨率。

2 3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)應用情況

目前，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)有較廣泛的應用。2013年，美國的設計公司KOR Ecologic、數(shù)字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作，完成了第一款用3D打印制造的混合動力車Urbee2，如圖1所示。該車除了底盤、動力系統(tǒng)和電子設備等，超過50%的部件都是由ABS塑料通過FDM設備打印而來的。扁平的造型使其風阻系數(shù)低達0.15，重量僅為 550kg。

然而需要指出的是，當前3D打印設備的成型尺寸有限且耗材成本高，大尺寸產(chǎn)品及零部件的一體化打印仍無法實現(xiàn)。當零部件尺寸大于設備成型尺寸時，需要對零部件數(shù)據(jù)進行合理拆分，以最經(jīng)濟的方式打印，完成后仍需進行手工拼接，這些要耗費大量時間，如上述Urbee2零部件打印耗時高達2500h。這說明著，3D打印技術(shù)無法在短期內(nèi)取代傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，進行產(chǎn)品及零部件的大批量生產(chǎn)。就現(xiàn)階段而言，3D打印技術(shù)適用于汽車造型設計領域和汽車研發(fā)階段，及單件小批量試驗件生產(chǎn)，例如汽車油泥模型開發(fā)，車身、內(nèi)外飾、底盤零部件開發(fā)等。目前SLA、FDM及SLS等已有具體應用，如表1所示。

圖1 Urbee2混合動力車

表1 3D打印技術(shù)應在汽車開發(fā)各階段應用

3 3D打印技術(shù)應用實例

當前汽車造型設計的特點就是造型創(chuàng)意多變、開發(fā)周期短。為了滿足不同的創(chuàng)意需求，就需要不斷地改型。雖然目前計算機虛擬現(xiàn)實技術(shù)在不斷完善，可以完成多角度、多材質(zhì)的三維仿真展示，供評審人員、設計人員現(xiàn)場評估，確定設計方向。但數(shù)字虛擬模型與實體模型仍存在一定的視覺偏差，在確定關鍵設計方案時，仍需要做出實物來驗證其外觀形體、質(zhì)感、結(jié)構(gòu)等。對于形狀、結(jié)構(gòu)十分復雜的零件，可以利用3D打印技術(shù)制作出來，以驗證設計人員的設計思想，并利用這些樣件做一些功能性和裝配性檢驗。以下以最常見的SLA和FDM為例，介紹3D打印技術(shù)具體應用情況。

3.1 SLA應用

SLA的特點之一是制作精度高，可以制作精度達到±0.10mm的樣件，并且與零部件的復雜程度無關。其次，SLA的成型能力強，對細小的結(jié)構(gòu)、安裝點和裝飾線均能成型。后處理效果逼真，這主要是因為光敏樹脂硬度不高，易于打磨、修飾，并且制件本身的表面光潔度較好。可制作汽車前后大燈的前罩和后蓋、空調(diào)出風口、儀表控制面板等。由于材料的強度比ABS略差，不耐高溫，因此不適合做受力、受熱的功能測試零件，不能制作電鍍件。在實際應用時，可用透明材料直接成型汽車大燈前罩、透鏡等，通過打磨拋光、噴涂罩光漆，實現(xiàn)晶瑩剔透的效果。

3.2 FDM應用

FDM在成型時使用兩種材料：①成型材料；②支撐材料。樣件內(nèi)部可以使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來節(jié)省材料，加快成型速度，由于成型過程中使用水溶性支撐材料，去除方便。成型材料多樣化，有ABS、PC、PP等。成型材料強度高，能夠直接用于裝配驗證和功能測試。汽車造型開發(fā)中運用廣泛，用于造型和結(jié)構(gòu)驗證。

大型FDM設備成型尺寸較大，可以制作接近1m×1m×0.6m的零件，因此可以直接制造方向盤、輪輞、前后組合大燈燈杯等樣件。在超過尺寸出范圍時，往往通過拼接方式實現(xiàn)。如車門裝飾板、前后保險杠模型樣件制作，則需要先將零件在數(shù)據(jù)上分解為3～4個部分，分別成型，在后期進行拼接。由于FDM成型材料ABS具有耐高溫、強度性能優(yōu)良的特性，樣件在拋光后進行電鍍、水轉(zhuǎn)印等后處理工藝，效果與量產(chǎn)零件效果接近。如：如汽車中控裝飾板、尾門拉手、商標牌等。

在實際的汽車模型制作過程中，汽車造型設計人員不僅僅應用上述SLA和FMD兩種工藝來制作模型樣件，Polyjet、SLS等也會綜合應用其中。但是，3D打印技術(shù)仍受成型尺寸的限制，此時則需要傳統(tǒng)CNC加工的介入，才能順利完成全尺寸模型樣車的制作。

3.3 D打印與CNC加工結(jié)合

3D打印與CNC加工，兩者各有各的優(yōu)勢，CNC的加工尺寸遠大于3D打印，而3D打印能夠制造的零件復雜程度要遠高于CNC。在汽車造型設計的模型制作階段，通常是采用以CNC加工模型主體、3D打印制作精細件的方式進行整車模型制作。圖2分別為汽車外飾模型和內(nèi)飾模型，其主體均采用油泥或聚氨酯代木，通過CNC加工而成，精細樣件則可使用3D打印技術(shù)。

圖2 3D打印技術(shù)在汽車模型中常見應用范圍

最后需要說明的是，上述精細樣件依然可以通過傳統(tǒng)CNC精細加工后拼接得到，出于時間和成本考慮，目前業(yè)內(nèi)主流的汽車模型制作公司仍優(yōu)先采用傳統(tǒng)加工方式，以求更高的效益。可見，3D打印技術(shù)是傳統(tǒng)加工方式的一種重要補充，短時期內(nèi)仍無法取代傳統(tǒng)制造工藝，但3D打印和CNC結(jié)合仍不失為一種非常好的形式。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢在于不受零部件幾何形狀的限制，快速制造出常規(guī)加工技術(shù)加工困難或無法實現(xiàn)的復雜幾何形狀零件的模型。它能幫助汽車造型設計人員快速實現(xiàn)設計方案并尋找出原設計方案的不足或疏漏之處，及時修改使之完善，減少反復修改的時間，從而改變了汽車造型設計的工作方式。

在汽車造型設計過程中，設計人員需要切合實際，采用多種制造工藝結(jié)合的方式，3D打印技術(shù)結(jié)合CNC加工技術(shù)，同時加工小型精細零件和大型簡單零件，發(fā)揮各種工藝、設備的優(yōu)勢。只有揚長補短，才能使整個造型設計過程形象化，最大限度地縮短汽車造型開發(fā)周期，拓展汽車造型設計的創(chuàng)意空間。

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TP391.73

A

1004-7344（2016）14-0277-02

2016-5-3

鐘偉民（1982-），男，漢族，廣西南寧人，工程師，碩士，主要從事汽車油泥模型開發(fā)、3D打印技術(shù)在汽車造型開發(fā)中的應用研究工作。