3D打印技術(shù)在電動(dòng)汽車個(gè)性化定制領(lǐng)域的應(yīng)用

陳曉航 夏彬陽

摘 要：3D打印技術(shù)作為一種快速發(fā)展中的制造技術(shù)，正逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，并發(fā)揮著重要的作用。電動(dòng)汽車作為我國(guó)實(shí)現(xiàn)汽車行業(yè)快速趕超世界汽車先進(jìn)水平的一種重要產(chǎn)品，已逐漸成為我國(guó)汽車市場(chǎng)的重要組成部分。本文分析現(xiàn)代3D打印技術(shù)和電動(dòng)汽車的發(fā)展?fàn)顩r，綜合闡述兩者在未來的發(fā)展趨勢(shì)，并對(duì)3D打印技術(shù)對(duì)電動(dòng)汽車在個(gè)性化定制設(shè)計(jì)領(lǐng)域的促進(jìn)作用進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；電動(dòng)汽車；個(gè)性化定制設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U466 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2017）03-0112-03

Abstract： As a rapid development of manufacturing technology， 3D printing technology is gradually entering various fields， and play an important role. As one of the most important products in the automotive industry， the rapid development of China's automobile industry has gradually become an important part of China's auto market. This paper described the development status of modern 3D printing technology and electric cars， expounded their comprehensive development trend in the future， and analyzed the promotion of 3D printing technology in the field of personalized design.

Keywords： 3D printing technology；electric vehicle；customization design

隨著我國(guó)制造業(yè)的進(jìn)步，與眾不同的設(shè)計(jì)加工技術(shù)和制造生產(chǎn)理念也在不斷進(jìn)步。但隨著目前全球油價(jià)不斷上漲，拉動(dòng)了石油和有關(guān)其他原材料價(jià)格的飆升，對(duì)我國(guó)許多行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不利影響。電動(dòng)汽車作為一種沒有燃料消耗和尾氣排放的新型車種，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著十分重要的影響。3D打印技術(shù)作為一種新興的制造加工技術(shù)，擁有著使用清潔能源、綠色環(huán)保的特點(diǎn)。同時(shí)在個(gè)性化定制領(lǐng)域，3D打印技術(shù)有著十分強(qiáng)大的制造能力。將3D打印技術(shù)融入到電動(dòng)汽車的個(gè)性化設(shè)計(jì)中，提升電動(dòng)汽車的創(chuàng)新設(shè)計(jì)競(jìng)爭(zhēng)能力，讓電動(dòng)汽車在中國(guó)汽車市場(chǎng)彎道超車，最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的提高。

1 電動(dòng)汽車的個(gè)性化定制

1.1 電動(dòng)汽車發(fā)展

電動(dòng)汽車的發(fā)展有著悠久的歷史。從19世紀(jì)開始，英國(guó)開始了電動(dòng)汽車的相關(guān)研究和生產(chǎn)，緊接著日本等國(guó)家也開始引入電動(dòng)汽車的相關(guān)技術(shù)。從1949年的石油危機(jī)開始，電動(dòng)汽車作為重要的開發(fā)項(xiàng)目，在日本、美國(guó)和歐洲等國(guó)家走向了發(fā)展的高速道。1990年前后，電動(dòng)汽車的核心——鋰電池的研發(fā)，以及人們對(duì)全球環(huán)境的重視，電動(dòng)汽車作為一種低污染的汽車開始大規(guī)模普及[1]。

目前，在我國(guó)隨著“863計(jì)劃”的大力推廣，電動(dòng)汽車的相關(guān)配套技術(shù)有了很大的突破，相關(guān)的研發(fā)中心、生產(chǎn)基地也陸續(xù)建設(shè)完成，包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池汽車在內(nèi)的多種概念車紛紛出現(xiàn)。

雖然目前電動(dòng)汽車的性能已經(jīng)發(fā)展到與內(nèi)燃機(jī)汽車不相上下的地步。但是，由于電動(dòng)汽車既有發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，又有電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，其成本相較于傳統(tǒng)汽車來說更高[2]。同時(shí)，相較于傳動(dòng)汽車，電動(dòng)汽車除了動(dòng)力系統(tǒng)和能源系統(tǒng)之外，在外觀、內(nèi)飾、人機(jī)交互等方面并未有非常大的改觀，甚至有的只是在傳統(tǒng)車型上進(jìn)行了電動(dòng)系統(tǒng)的改造，性價(jià)比并未達(dá)到顧客所期盼的地步。我國(guó)目前電動(dòng)汽車的發(fā)展雖然來勢(shì)迅猛，但是“雷聲大雨點(diǎn)小”，對(duì)傳統(tǒng)的汽車行業(yè)并未造成太大的沖擊。

1.2 電動(dòng)汽車的個(gè)性化定制

從我國(guó)的電動(dòng)汽車發(fā)展情況來看，目前的成就主要集中在工程技術(shù)領(lǐng)域，如電池技術(shù)和驅(qū)動(dòng)技術(shù)，對(duì)于電動(dòng)汽車造型領(lǐng)域的研究和成果還較少。而電動(dòng)汽車所呈現(xiàn)出的形象和特點(diǎn)都必須體現(xiàn)出與眾不同的氣質(zhì)和身份，而這也是我國(guó)將電動(dòng)汽車進(jìn)入市場(chǎng)并商業(yè)化的重要環(huán)節(jié)[3]。

由于電動(dòng)汽車在本質(zhì)上還是屬于汽車的范疇，其主要的功能還是依靠機(jī)械的傳動(dòng)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。所以，對(duì)電動(dòng)汽車的個(gè)性化定制還是受到其功能與結(jié)構(gòu)的限制。加之目前的汽車流水線主要用于批量生產(chǎn)汽車的相關(guān)配件，其主要的外觀和內(nèi)飾設(shè)計(jì)受到先天的加工條件和市場(chǎng)環(huán)境制約。就目前的市場(chǎng)情況來看，電動(dòng)汽車主要的發(fā)展趨勢(shì)不同于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，追求的是自然舒適的加速體驗(yàn)和穩(wěn)重輕便的駕駛體驗(yàn)，而不是速度感和力量感[3]。這些區(qū)別是電動(dòng)汽車的本質(zhì)，而這些特征和本質(zhì)必須通過電動(dòng)汽車的外觀設(shè)計(jì)和內(nèi)飾設(shè)計(jì)表達(dá)出來。

2 3D打印技術(shù)

2.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)最早起源于美國(guó)。早在1988年，美國(guó)的3D Systems公司利用分層制造法，結(jié)合傳統(tǒng)機(jī)床的加工方式，構(gòu)成了最早期的3D打印技術(shù)。隨著3D打印技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的設(shè)備零件不斷被生產(chǎn)出來，通過國(guó)外的3D打印論壇的逐步發(fā)展并吸引了一大批愛好者進(jìn)行開發(fā)，以及相關(guān)軟件代碼的開源，隨后10a涌現(xiàn)出了十余種不同的3D打印設(shè)備[4]。由此，美國(guó)在設(shè)備的研制、生產(chǎn)和銷售方面成為了3D打印行業(yè)的領(lǐng)頭者，其發(fā)展水平和技術(shù)基本代表了世界的先進(jìn)技術(shù)水平和研究方向。我國(guó)在1994年引進(jìn)了3D打印技術(shù)，并專門成立了快速成型設(shè)備研發(fā)制造的公司，并生產(chǎn)了以SLS快速成型設(shè)備為代表的3D打印設(shè)備。

3D打印技術(shù)最突出的優(yōu)點(diǎn)是無需通過對(duì)毛坯進(jìn)行切削、鉆孔等加工或者模具的應(yīng)用，直接通過對(duì)計(jì)算機(jī)中的3D模型進(jìn)行切片，生成機(jī)器代碼，然后直接一層層的生成形狀復(fù)雜的零件，而根據(jù)其所用材料的性質(zhì)及片層結(jié)構(gòu)生成方式的不同，大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（Stereo Lithography Apparatus）、粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（Selected Laser Sintering）及絲狀材料選擇性熔覆工藝（Fused Deposition Modeling）[5]。

2.2 3D打印技術(shù)的應(yīng)用

目前3D打印技術(shù)作為一項(xiàng)前沿性、先導(dǎo)性非常強(qiáng)的新興技術(shù)，對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)的工藝改造和新材料的廣泛應(yīng)用具有顛覆性的意義和作用[6]。目前，3D打印技術(shù)正逐漸從打印物體三維造型過渡到打印物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，最終發(fā)展到打印物體的使用功能階段。目前，在機(jī)械制造領(lǐng)域內(nèi)主要用于單件制造和小批量零件的制造。由于采用增材制造技術(shù)，相對(duì)于傳統(tǒng)的減式生產(chǎn)方式，能夠在產(chǎn)品造型、結(jié)構(gòu)等方面作出革命性的創(chuàng)新。

2.3 3D打印技術(shù)市場(chǎng)分析

由于目前生產(chǎn)工藝的限制，一個(gè)產(chǎn)品需要由多個(gè)零件裝配而成。這種組裝結(jié)構(gòu)增加了產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、復(fù)雜度和故障概率，同時(shí)在生產(chǎn)和裝配過程中消耗了大量的材料及能源。而3D打印在制造這種復(fù)雜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)時(shí)有著非常大的優(yōu)勢(shì)。3D打印技術(shù)能夠使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)一體化，變得更加簡(jiǎn)單，甚至某些特殊結(jié)構(gòu)可一次成型而無需裝配，不僅提高了生產(chǎn)效率，而且提高了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性[7]。

但是，由于目前作為一種新興技術(shù)的3D打印，還存在著一定的發(fā)展瓶頸。一方面，前期投入的資本過大，而能夠獲得的回報(bào)卻達(dá)不到要求。因此，目前在3D打印方面的資金投入還未形成規(guī)模，目前的3D打印技術(shù)主要依賴國(guó)家項(xiàng)目資助進(jìn)行技術(shù)研究，相關(guān)企業(yè)的作用還未體現(xiàn)[6]。另一方面，由于尚無主導(dǎo)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，缺乏產(chǎn)學(xué)研一體化機(jī)構(gòu)，致使形成的產(chǎn)業(yè)化規(guī)模程度較低，有效的產(chǎn)業(yè)鏈并未形成[8-10]。

3 3D打印技術(shù)與定制化電動(dòng)汽車的發(fā)展

3.1 3D打印在汽車定制市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)

如今汽車已成為一種大眾化的商品，不同品牌的車型與配置等選擇也十分豐富。但由于個(gè)體對(duì)汽車外觀造型的審美差異和區(qū)域化環(huán)境的影響，顧客對(duì)汽車這種消費(fèi)產(chǎn)品的要求也不盡相同，這也讓目前的車企無法滿足如此龐大的個(gè)性化需求[11]。

而3D打印技術(shù)在這方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。目前汽車在定制領(lǐng)域更多集中在外觀、材料的選擇上。即使目前車企提供了多種價(jià)位、多種配置的車型配置，但這種方法不僅給消費(fèi)者的判斷帶來了困擾，而且消費(fèi)者的個(gè)性化需求并未得到滿足。而目前的3D打印技術(shù)已經(jīng)在復(fù)雜外觀的構(gòu)建、多材料選擇上發(fā)展了很長(zhǎng)時(shí)間，目前應(yīng)用廣泛的3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠滿足對(duì)汽車個(gè)性化定制市場(chǎng)的需求，并完美地契合到生產(chǎn)中[12，13]。

3.2 未來電動(dòng)汽車個(gè)性化發(fā)展展望

在不久的將來，3D打印技術(shù)在電動(dòng)汽車個(gè)性化定制領(lǐng)域會(huì)有著越來越廣泛的應(yīng)用。在造型方面，“設(shè)計(jì)即制造”讓個(gè)性化汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程更加簡(jiǎn)便。并且由于外觀和內(nèi)飾的造型受到用戶的主觀影響非常大，簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方式甚至可以讓用戶參與到對(duì)其的設(shè)計(jì)過程中[14]。在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面，增材制造的方式有著“一體成型，支撐可卸”的優(yōu)點(diǎn)，在制造復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，特別是需要制造復(fù)雜的曲面藝術(shù)造型時(shí)，無需考慮到材料的拼接問題[15]。在制造一些復(fù)雜鉸鏈外殼件（如手套箱蓋板）時(shí)，相連的零件可以借助輔助性支撐材料一同制造，最后用非常方便的方式（如用水浸泡）去除[16]。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊威.電動(dòng)汽車—我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)趕超的捷徑[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2004.

[2]黃嘉興.電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展路徑與政策研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]李祥文.電動(dòng)汽車情感化設(shè)計(jì)研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

[4]吳潔.3D打印技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息，2013（26）：174.

[5]程美.3D打印技術(shù)及其對(duì)汽車設(shè)計(jì)的影響[J].汽車工程師，2015（10）：13-15.

[6]孫建明，童澤平，殷志平.3D打印技術(shù)的市場(chǎng)應(yīng)用及發(fā)展前景分析[J].現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2014（18）：81-82.

[7]張楠，李飛.3D打印技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用對(duì)未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)的影響[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2013（7）：101-103

[8]王琳.基于多層級(jí)感官體驗(yàn)的汽車內(nèi)飾定制設(shè)計(jì)研究[D].上海：華東理工大學(xué)，2015.

[9]柳慧譜.汽車外觀造型的三維網(wǎng)格模型分割與建模[D].貴陽：貴州大學(xué)，2015.

[10]盧燕明.探索中國(guó)3D打印工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用市場(chǎng)[J].金屬加工（冷加工），2014（21）：21-29.

[11]阮輝平.中國(guó)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2012.

[12]C Ladd，JH So，J Muth，et al. 3D Printing of Free Standing Liquid Metal Microstructures[J].Advanced Materials，2013（36）：5081.

[13]J Mai，L Zhang，F(xiàn) Tao，et al. Customized production based on distributed 3D printing services in cloud manufacturing[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016（1）：71-83.

[14]K Tucker，D Tucker，J Eastham，et al. Network Based Technology Roadmapping for Future Markets： Case of 3D Printing[J].Technology & Investment，2014（3）：137-156.

[15]MF Bieniosek，BJ Lee，CS Levin. Technical Note：Characterization of custom 3D printed multimodality imaging phantoms[J].Medical Physics，2015（10）：5913.

[16]趙婧，尹歡.體驗(yàn)設(shè)計(jì)在汽車內(nèi)飾設(shè)計(jì)中的發(fā)展及展望[J].包裝工程，2014（6）：77-81.