3D打印在汽車制造中的應(yīng)用

東風(fēng)汽車公司 崔厚學(xué) 高方勇

華中科技大學(xué) 魏青松

3D打印在汽車制造中的應(yīng)用

東風(fēng)汽車公司 崔厚學(xué) 高方勇

華中科技大學(xué) 魏青松

“中國(guó)制造2025-節(jié)能與新能源汽車”，從車身制造更優(yōu)質(zhì)、高效、柔性化、低成本和安全、節(jié)能、環(huán)保等方面對(duì)連接技術(shù)提出了更高要求。本文結(jié)合這一新形勢(shì)，對(duì)3D打印技術(shù)在中國(guó)汽車工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀做了詳細(xì)闡述，對(duì)其前景進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和展望。

3D打印技術(shù)是基于分層迭加的快速成型，又名增材制造，是利用三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在一臺(tái)設(shè)備上由程序控制快速、精準(zhǔn)地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，從而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造的數(shù)字化及“自由制造”（原理見圖1）。3D打印可解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的成形問題，大大減少加工工序，縮短加工周期，被認(rèn)為是制造領(lǐng)域的一次重大突破，也被譽(yù)為“第三次工業(yè)革命“的重要生產(chǎn)工具。

據(jù)《Wohlers Report 2015》顯示，自1988年以來，全球3D打印技術(shù)產(chǎn)值一直保持著25%以上的年均增長(zhǎng)率，而2014年這一數(shù)字更是高達(dá)35.2%，達(dá)到41億美元。其中汽車及運(yùn)輸行業(yè)的份額高達(dá)31.7%，幾乎占據(jù)了3D打印市場(chǎng)的三分之一。

目前在汽車行業(yè)應(yīng)用最為廣泛成熟的3D打印技術(shù)有選擇性激光燒結(jié)（SLS）、立體平板印刷（SLA）、無模鑄型（P C M）、熔融沉積（FDM）、噴墨式粉末粘接（IPB）等。

1.3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)和制造領(lǐng)域大有可為

（1）3D打印技術(shù)輔助新車型的快速開發(fā)，大大縮短開發(fā)周期和降低成本。3D打印技術(shù)無需制造模具、刀具和夾具，省去零件圖形轉(zhuǎn)換、模具設(shè)計(jì)與制造以及切屑、鍛造和鑄造等繁瑣加工工序，極大減少了人力和物力的投入，并顯著縮短周期。在汽車新車型研發(fā)階段，運(yùn)用3D打印技術(shù)可快速驗(yàn)證和優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，特別是快速驗(yàn)證和定型復(fù)雜功能部件（如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤等）。

圖1 3D打印技術(shù)基本原理

（2）3D打印突破了制造局限，可促使產(chǎn)品設(shè)計(jì)由面向制造工藝的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向面向零件性能的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，從設(shè)計(jì)源頭改善汽車性能。隨著汽車輕量化、低排放、節(jié)能和新能源等需求的不斷提升，汽車零件結(jié)構(gòu)（如自由曲面、內(nèi)流道、多層嵌套結(jié)構(gòu)、多部件組合等）越來越復(fù)雜，尺寸極限要求（如薄壁、變壁厚等）越來越突出，新材料不斷涌現(xiàn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)模具、刀具以及鑄鍛焊等制造工藝難度越來越大。為了適應(yīng)加工工藝要求，汽車某些結(jié)構(gòu)、尺寸和材料只能采取一定程度的讓步設(shè)計(jì)或次優(yōu)設(shè)計(jì)，從而降低了零部件甚至是整車性能。應(yīng)用3D打印技術(shù)可以制造出高比表面積多孔柵格、復(fù)雜內(nèi)流道甚至是內(nèi)空結(jié)構(gòu)、復(fù)雜自由型面和變壁厚、多組件免組裝、以及多材料、梯度材料和梯度結(jié)構(gòu)等難成形的零件結(jié)構(gòu)，應(yīng)用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、底盤、三元催化器陶瓷體等功能性零部件。3D打印技術(shù)應(yīng)用在新型電動(dòng)汽車車身及其零部件的研發(fā)和制造中，不但可以解決復(fù)雜零件的制造難題，還可以從設(shè)計(jì)源頭優(yōu)化零件和汽車整體性能。

（3）3D打印可實(shí)現(xiàn)多品種車型的快速開發(fā)以及個(gè)性化車型的快速低成本訂制。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人們生活水平的不斷提升，個(gè)性化消費(fèi)需求越來越顯著。汽車作為個(gè)人和家庭消費(fèi)品表現(xiàn)得尤為突出，如個(gè)性突出的車燈、形狀和結(jié)構(gòu)異類的車身、變化多端的內(nèi)飾等等。3D打印技術(shù)可以很方便地滿足這些制造需求。例如，利用3D打印可以在車胎表面刻上客戶名字或人像，從而在雪地或沙漠里行駛中留下自己的“足跡”。3D打印技術(shù)還可以靈活制造適應(yīng)不同氣候和地理?xiàng)l件的輪胎花紋，從而提高輪胎安全系數(shù)、耐磨程度以及滾動(dòng)效率，在彰顯個(gè)性的同時(shí)還賦予特殊的服役性能。

（4）3D打印技術(shù)在汽車制造的深度應(yīng)用可促進(jìn)汽車低能耗、低排放和綠色化的發(fā)展。3D打印技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)制造，從結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)最大程度的輕量化。同時(shí)，基于3D打印技術(shù)，可以設(shè)計(jì)和制造最優(yōu)工作性能的發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、燃油噴嘴、燃燒室、變速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及底盤等功能性零部件，制造具有最優(yōu)空氣動(dòng)力學(xué)特性的車身等。從零部件的結(jié)構(gòu)和功能優(yōu)化上提升整車性能，降低燃油消耗，減少排放，實(shí)現(xiàn)綠色制造，滿足使用需求。

2.3D打印技術(shù)國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已利用3D打印技術(shù)輔助汽車造型和新功能驗(yàn)證以及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件、多材料零件、輕量化結(jié)構(gòu)的快速制造。國(guó)際汽車知名生產(chǎn)商如奧迪、寶馬、奔馳、美洲豹、通用、大眾、豐田和保時(shí)捷等已經(jīng)在汽車的研發(fā)階段大量使用3D打印技術(shù)。

3D打印在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在設(shè)計(jì)驗(yàn)證和零件制造上。設(shè)計(jì)驗(yàn)證包括快速原型、概念模型和功能部件設(shè)計(jì)。

（1）設(shè)計(jì)驗(yàn)證?？焖僭头矫妫绹?guó)Stratasys公司為賓利定制了汽車輪胎原型，輪胎與輪轂一次性制造完成，與原車的輪胎大小為1∶1；采用Vero Grey材料24 995g，制造時(shí)間為188h 28min，支撐材料消耗了27 413g；另外，還制造了具有支撐結(jié)構(gòu)的車墊，汽車墊子下方采用硬的塑料Vero Clear，上面是可以折疊的Tango Black Plus橡膠材料，以1∶1制造原型的尺寸為1 000mm×800mm×500mm，制造時(shí)間為11h49min，消耗Tango Black Plus材料4 882g、Vero Clear材料848g，支撐材料消耗了12 936g。

概念模型方面，Local Motors率先將直接數(shù)字制造（DDM）的概念用于3D打印汽車Strati，由美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)頭研發(fā)的BAAM（大尺寸增材制造）設(shè)備用于實(shí)際生產(chǎn)。Strati的車身主體是一體的，采用碳纖維增強(qiáng)ABS塑料以每小時(shí)40磅（1磅=0.454kg）的沉積速率打印，可拆卸的座椅可以讓客戶方便選擇自己喜歡的內(nèi)飾顏色和材質(zhì)來打印。與上述的Local Motors的塑料車身不同，超級(jí)轎跑Blade的車身及主體部件由鋁合金和碳纖維組成，主體部件重量只有1 400磅。汽車底盤由大約70個(gè)3D打印的鋁節(jié)點(diǎn)組成，本身的質(zhì)量只有61磅。它的加速度比邁凱輪P1更大，功率質(zhì)量比是布加迪威龍的2倍。它能夠在短短2.2s內(nèi)從0加速至60英里/h（邁凱輪P1的這個(gè)數(shù)字是2.8s）。

功能部件方面，豐田汽車與Materialise共同設(shè)計(jì)的汽車座椅質(zhì)量更輕，舒適感更強(qiáng)。汽車座椅低重力密度區(qū)域的鏤空處理，創(chuàng)造了更大的散熱能力，節(jié)省大量的材料。汽車座椅的質(zhì)量減少了高達(dá)72%，比原來輕了18kg。歐洲賽車通過3D打印技術(shù)制造發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋，顯著提高了氣缸蓋的表面散熱面積，減少振動(dòng)和質(zhì)量。結(jié)果顯示，質(zhì)量減少了66%，體積減少了65%，表面積增加了86%，冷卻效果更顯著。此外，通過3D打印生產(chǎn)熱交換器，與傳統(tǒng)減材制造方法相比，不但減少了質(zhì)量，同時(shí)提高了熱交換接觸效率，提升了熱交換器的整體性能。

（2）零件制造。汽車零件的制造包括間接制造和直接制造兩種方法。間接制造主要是與鑄造、注塑等傳統(tǒng)工藝相結(jié)合，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋以及車燈罩等零部件的快速開發(fā)。美國(guó)福特公司采用3D打印與鑄造結(jié)合的方式完成了Eco Boost引擎的氣缸蓋的制造，省去了對(duì)缸蓋砂芯模具加工的過程，將制造周期縮短了25%～40%。

直接制造方面，寶馬賽車動(dòng)力系統(tǒng)采用了金屬3D打印水泵輪，實(shí)現(xiàn)水泵輪的快速迭代和個(gè)性化定制，且無需生產(chǎn)模具，零部件修改的成本接近零；豐田22RE發(fā)動(dòng)機(jī)采用PLA材料進(jìn)行打印，消耗約1kg，發(fā)動(dòng)機(jī)被分解為80個(gè)零件，打印時(shí)間為34h，其中引擎頂部的部分就花了20h；賓利在Speed 6概念車上大膽嘗試3D打印技術(shù)，車門鉸鏈用金屬3D打印，其鏤空的結(jié)構(gòu)看起來就像是一面抽象的英國(guó)國(guó)旗；德國(guó)獨(dú)立汽車設(shè)計(jì)公司EDAG從葉子中汲取靈感，利用3D打印汽車外殼仿生“骨架”，經(jīng)拓?fù)浞律鷮W(xué)優(yōu)化的車骨骼結(jié)構(gòu)在承載力低的地方減少材料密度，在承載力高的地方提高材料密度，從而成為一種輕質(zhì)、高效的汽車；北美車展上由加州設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成的起亞Telluride，其部分配件采用3D打印技術(shù)生產(chǎn)，包括車門、方向盤以及儀表盤等位置的零部件；別克Avista概念車車身采用部分3D打印材料，質(zhì)量更輕；奧迪采用鋁和鈦金屬材料制造了第一輛3D打印月球車Audi Lunar Quattro，計(jì)劃最早于2017年發(fā)射。

3.3D打印技術(shù)國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)很早就開始應(yīng)用3D技術(shù)輔助新車型的開發(fā)，包括快速原型、與鑄造等傳統(tǒng)工藝結(jié)合、金屬直接制造等，實(shí)現(xiàn)快速定型，輔助發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋以及車燈罩等零部件的快速開發(fā)。

非金屬樣件方面，東風(fēng)汽車公司采用選擇性激光燒結(jié)SLS技術(shù)制造了中冷器進(jìn)氣管（塑料管），該樣件為中空異形管件，且一端有四個(gè)凸起的盲管。若采用CNC工藝，無法整體制作，必須拆分為若干片，再粘接為總成，產(chǎn)品強(qiáng)度差；采用選擇性激光固化SLA技術(shù)制造進(jìn)氣歧管，樣件結(jié)構(gòu)復(fù)雜。用其他方式制作原型加工困難且成本高，采用SLA工藝一方面精度完全滿足要求，另一方面成本相對(duì)較低.結(jié)合硅膠模真空澆注工藝，既可以滿足設(shè)計(jì)變更的要求，又能較好地節(jié)約試制成本。

金屬樣件方面，東風(fēng)汽車公司采用選擇性激光燒結(jié)SLS工藝和鑄造結(jié)合制造分動(dòng)箱殼體，采用選擇性激光熔化SLM 3D打印制造了加油管、蓋、鎖芯和鎖套部件。華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)以及北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司在2000年左右就開始利用3D打印技術(shù)輔助發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄造用砂型和蠟?zāi)５目焖僦圃?，在縮短關(guān)鍵零部件開發(fā)周期和成本方面作用明顯。

我國(guó)3D打印技術(shù)從20世紀(jì)90年代起步，經(jīng)過了二十多年的發(fā)展，形成了一批具有一定研究規(guī)模和實(shí)力的科研單位及基地，并且各單位都發(fā)展出各具特色的3D打印技術(shù)或裝備。華中科技大學(xué)在激光燒結(jié)/熔化（SLS/SLM）、三維打?。?DP）裝備方面，西安交通大學(xué)在光固化（SLA）技術(shù)與裝備、激光近成型（LENS）方面，清華大學(xué)在熔融沉積（FDM)、電子束制造(EBM)技術(shù)與裝備方面，華南理工大學(xué)在激光熔化（SLM），北京航空航天大學(xué)在激光近成型（LENS）技術(shù)與裝備，西北工業(yè)大學(xué)在激光近成型（LENS）技術(shù)與裝備方面，中航工業(yè)航空制造研究所在電子束制造（EBM）技術(shù)與裝備方面都進(jìn)行了多年潛心探索，取得了不俗的研究成果。此外，西北有色金屬研究院、沈陽自動(dòng)化研究所、南京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)等一批科研院所都在開展3D打印制造理論、工藝及應(yīng)用研究。

在3D打印高端裝備方面，面向國(guó)家需求，適應(yīng)我國(guó)應(yīng)用特點(diǎn)，研發(fā)的增材制造技術(shù)與裝備形成了鮮明特色，部分指標(biāo)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。例如華中科技大學(xué)最早研制了0.4m×0.4m工作面的SLS裝備，2002年將工作臺(tái)面升至0.5m×0.5m，已超過當(dāng)時(shí)國(guó)外SLS裝備的最大成形范圍（美國(guó)DTM公司，現(xiàn)已并入美國(guó)3D Systems公司，研制的SLS設(shè)備最大工作臺(tái)面為0.375m×0.33m）。在2005年，該單位通過對(duì)高強(qiáng)度成形材料、大臺(tái)面預(yù)熱技術(shù)以及多激光高效掃描等關(guān)鍵技術(shù)的研究，陸續(xù)推出了1m×1m、1.2m×1.2m、1.4m×0.7m等系列大臺(tái)面SLS裝備，在成形尺寸方面遠(yuǎn)超國(guó)外同類技術(shù)，在成形大尺寸零件方面具有世界領(lǐng)先水平，形成了一定的產(chǎn)品特色。北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的激光近成型（LENS）裝備，其成形效率超過了國(guó)外同類水平，在制造飛機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等重大工業(yè)裝備大型金屬構(gòu)件方面具有世界領(lǐng)先水平。

目前3D打印在航空航天、生物醫(yī)療等具有高附加值的領(lǐng)域有大量的應(yīng)用案例，例如北京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)研發(fā)的LENS技術(shù)在航空航天獲得應(yīng)用，解決了一批重大問題；西交大3D打印在生物醫(yī)療方面獲得廣泛應(yīng)用。在汽車領(lǐng)域，一些科研機(jī)構(gòu)及有實(shí)力的公司企業(yè)也進(jìn)行了一些探索。例如大型砂型的制造一直是困擾汽車開發(fā)的瓶頸。但砂型由于材料的原因?qū)崿F(xiàn)牢靠拼裝都十分困難。圖3即為華中科技大學(xué)為某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)整體制造的六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋水套砂芯（外形尺寸約1 100mm×400mm×283 mm，壁厚最薄5mm）。采用傳統(tǒng)的砂型鑄造試制方法，僅工裝模具的設(shè)計(jì)制造周期通常需要5個(gè)月左右，不僅周期長(zhǎng)，而且費(fèi)用高達(dá)150～200萬元；加上其他開發(fā)過程，整個(gè)試制過程周期漫長(zhǎng)、嚴(yán)重制約了發(fā)動(dòng)機(jī)的開發(fā)進(jìn)程。采用了SLS技術(shù)，一個(gè)星期左右即成形出了整套砂芯，砂芯強(qiáng)度好、精度滿足要求，組裝合箱后進(jìn)行澆注，獲得合格缸蓋鑄件。

我國(guó)在相關(guān)科技計(jì)劃的持續(xù)支持下，研發(fā)出一批3D打印裝備，形成了華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、西安交通大學(xué)制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和快速制造國(guó)家工程研究中心以及北京航空航天大學(xué)大型金屬構(gòu)件增材制造國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室等一批國(guó)家級(jí)研究基地。研究成果已在航空航天產(chǎn)品直接制造、汽車模具和人體植入體個(gè)性化制造等方面得到了應(yīng)用，具備良好研發(fā)基礎(chǔ)。

在巨大市場(chǎng)的培育下，我國(guó)已形成了多個(gè)3D打印制造基地，一批專業(yè)化的3D打印企業(yè)發(fā)展迅速，如武漢華科三維、陜西恒通、西安鉑力特、中航天地激光等。金屬高性能3D打印結(jié)構(gòu)件已經(jīng)在多種型號(hào)的先進(jìn)軍用飛機(jī)上獲得小批量裝機(jī)應(yīng)用，航空發(fā)動(dòng)機(jī)新型空心渦輪葉片設(shè)計(jì)已普遍采用金屬激光3D打印技術(shù)來顯著縮短開發(fā)周期（一次技術(shù)迭代周期從一年縮短到不足一個(gè)月），3D打印鑄造砂型已應(yīng)用于汽車和柴油機(jī)行業(yè)的復(fù)雜發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋的快速制造和研發(fā)設(shè)計(jì)。但與世界先進(jìn)水平相比，我國(guó)的原始創(chuàng)新不多，技術(shù)鏈不夠完整，產(chǎn)業(yè)發(fā)展（包括3D打印技術(shù)本身及工業(yè)應(yīng)用兩方面的產(chǎn)業(yè)）與美國(guó)和德國(guó)相比差距十分顯著，特別是3D打印在汽車制造中的應(yīng)用差距尤為明顯。

圖2 裝配后整套六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋砂芯和蠕鐵六缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋

4.3D打印技術(shù)在汽車制造的應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)和研究課題

汽車行業(yè)包含產(chǎn)品研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)兩個(gè)方面。研發(fā)階段就是將先進(jìn)概念、設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的階段，對(duì)制造的要求是在最短的時(shí)間里制造出最能滿足設(shè)計(jì)意圖的多種方案的產(chǎn)品，并盡可能地減少制造成本。而工業(yè)化生產(chǎn)需要滿足批量的需求，更加關(guān)注生產(chǎn)效率、節(jié)拍、單件成本及產(chǎn)品一致性。

（1）基于3D打印技術(shù)的汽車快速研發(fā)。

汽車研發(fā)有其研發(fā)流程和體系。在商品概念階段主要進(jìn)行樣車的設(shè)計(jì)和外觀零部件造型的設(shè)計(jì)，需要制作模型進(jìn)行造型評(píng)審。在工程設(shè)計(jì)階段主要進(jìn)行人機(jī)布置設(shè)計(jì)和零部件的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，需要制作樣件進(jìn)行人機(jī)工程驗(yàn)證和尺寸驗(yàn)證。這兩個(gè)階段一般對(duì)產(chǎn)品的外觀有較高的要求，但對(duì)零件的性能基本沒有要求，且零件制造數(shù)量較少，一般僅需1～2件即可。而在原型車制造階段主要進(jìn)行零部件的試制和原型車的裝配。由于該階段的原型車需要完成各種試驗(yàn)和標(biāo)定，因此，無論對(duì)整車還是零部件都有較高的性能要求，部分零部件亦有較高的外觀要求，并且此階段需要制造的產(chǎn)品數(shù)量一般從十幾件到幾十件不等，屬于小批量制造。

基于3D打印技術(shù)的特點(diǎn)和目前發(fā)展水平，在商品概念階段和工程設(shè)計(jì)階段較適于采用3D打印直接獲得產(chǎn)品的方式；而在原型車制造階段較適于采用3D打印間接獲得產(chǎn)品的方式。

儀表板屬大型復(fù)雜薄壁件，是汽車主要非金屬零件之一。由于其尺寸和結(jié)構(gòu)的限制，CNC加工很難一次成型，需要分塊加工后粘接打磨成型，其尺寸精度和強(qiáng)度都會(huì)受到影響。同時(shí)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工成本高、周期長(zhǎng)，投入簡(jiǎn)易注塑模具雖然可以一體成型，但由于尺寸較大，模具成本接近百萬，在研發(fā)階段產(chǎn)品存在較大設(shè)變可能的情況下，風(fēng)險(xiǎn)較高。而采用3D打印工藝制作樣件既可以一體成型，確保零件尺寸精度和強(qiáng)度，又可顯著降低試制費(fèi)用。

儀表板可采用SLA和SLS技術(shù)。SLA技術(shù)制作的樣件表面質(zhì)量更好，但強(qiáng)度相對(duì)較低，且光敏材料存放后易出現(xiàn)老化變形問題，因此適合造型驗(yàn)證階段使用；而SLS技術(shù)制作的樣件表面質(zhì)量相對(duì)較差，但強(qiáng)度高且不易變形，可以滿足裝車和部分整車實(shí)驗(yàn)要求。

3D打印技術(shù)在汽車快速研發(fā)階段的主要任務(wù)有：結(jié)構(gòu)驗(yàn)證，功能驗(yàn)證，新材料/設(shè)計(jì)驗(yàn)證，制訂檢測(cè)與標(biāo)準(zhǔn)等。

3D打印汽車零部件快速研發(fā)課題主要有：汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體高效隨形冷卻水道設(shè)計(jì)方法，高效燃油效率一體化噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，汽車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)免組裝設(shè)計(jì)方法，汽車車身、底盤最優(yōu)性能設(shè)計(jì)方法，汽車承重結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法，汽車內(nèi)飾人體工程學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，3D打印工藝的汽車復(fù)雜零部件快速定型工藝，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄造熔模/砂型3D打印技術(shù)，汽車復(fù)雜鍛件、鑄件、塑料件模具3D打印技術(shù)等。

（2）汽車零部件3D打印間接制造技術(shù)。

3D打印技術(shù)無需任何模具或金屬加工，省去了模具開發(fā)、鍛造和鑄造等繁瑣的工序，也減少了中間環(huán)節(jié)大量的人員、資金和設(shè)備的投入。目前，汽車零件生產(chǎn)所需的模具開發(fā)周期通常在45天以上，而3D打印技術(shù)根據(jù)所加工零部件的復(fù)雜程度，一般只需1～7天即可完成零件的生產(chǎn)工作。隨著汽車朝著輕量化與功能化的發(fā)展，很多汽車零部件形狀越來越復(fù)雜，導(dǎo)致模具制造難度越來越高，傳統(tǒng)模具方法無法整體加工型芯和型腔，采用3D打印技術(shù)，不僅可以實(shí)現(xiàn)整體加工，且縮短加工時(shí)間、降低成本、提高壽命。

3D打印技術(shù)在汽車零部件間接制造方面的主要任務(wù)有：復(fù)雜熔模高效3D打印技術(shù)，如發(fā)動(dòng)機(jī)缸體/缸蓋（一般鑄造鋁合金）、分動(dòng)箱等大總成殼體（一般鑄造鋁合金）、懸架安裝支架、鉸鏈等（鑄鋼）；復(fù)雜砂型高效3D打印技術(shù)，如三角臂/轉(zhuǎn)向節(jié)/制動(dòng)盤（鑄鐵）、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體/缸蓋（鑄鐵/一般鑄造鋁合金）、分動(dòng)箱等大總成殼體（一般鑄造鋁合金）；復(fù)雜金屬模具3D打印技術(shù)如：A/B柱/前防撞梁熱沖壓成型模具（H13等熱作模具鋼）等。

（3）汽車零部件3D打印直接制造技術(shù)。

利用3D打印技術(shù)在保證零件性能的同時(shí)，可加工鏤空結(jié)構(gòu)，降低汽車自重，是提高汽車燃油經(jīng)濟(jì)性的一個(gè)重要措施；同時(shí)利用3D打印的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)的各項(xiàng)特性指標(biāo)優(yōu)化車身設(shè)計(jì)，降低汽車的燃油消耗，減少排放，滿足綠色化的需求。

3D打印技術(shù)在汽車零部件直接制造方面的主要任務(wù)有：非金屬件制造，如保險(xiǎn)杠蒙皮（增韌聚丙烯：PP+EPDM-TD15）、進(jìn)氣歧管（玻纖增強(qiáng)尼龍：PA6-GF30）、燈具（亞克力：PMMA；聚碳酸酯：PC；丙烯氰-丁二烯-苯乙烯共聚物：ABS；聚對(duì)苯二甲酸丁二醇：PBT；塊狀模塑料：BMC）等；金屬零件制造如鎖芯鎖套、噴油器（45#鋼、鋅合金等）、懸架安裝支架、鉸鏈等（鑄鋼）等；個(gè)性化制造；整體制造如電動(dòng)汽車輕質(zhì)高強(qiáng)復(fù)合材料零部件以及整車外殼的3D打印，新能源汽車用復(fù)合材料整體構(gòu)件的集約式、高效率3D打印制造等；輕量化制造；高端車、概念車應(yīng)用示范。

汽車功能零部件3D打印直接制造技術(shù)研究課題有：如汽車塑料、金屬及復(fù)合材料零件3D打印直接制造技術(shù)，多路管、內(nèi)流道、自由曲面、多組件等復(fù)雜功能零部件3D打印整體制造技術(shù)，汽車承重件柵格輕量化結(jié)構(gòu)3D打印技術(shù)，汽車梯度材料/結(jié)構(gòu)零件3D打印技術(shù)，汽車高性能動(dòng)力/傳動(dòng)/承重等功能部件直接3D打印技術(shù)等。

5.結(jié)語

隨著新車型更新?lián)Q代加快和智能化、綠色化制造的要求，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用不斷加快。

目前3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用存在一定的局限性，主要體現(xiàn)為原材料及設(shè)備成本相對(duì)較高、打印產(chǎn)品的性能與傳統(tǒng)制造工藝產(chǎn)品相比存在一定差距、對(duì)于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力不足等，需要從產(chǎn)學(xué)研用系統(tǒng)協(xié)同攻關(guān)?！?/p>

崔厚學(xué)，男，1964年10月出生，湖北武漢人，焊接專業(yè)工學(xué)博士，研高，專業(yè)首席師。長(zhǎng)期在國(guó)家大型整車及合資企業(yè)從事商用車、乘用車焊裝技術(shù)、焊裝質(zhì)量、外協(xié)件質(zhì)量和焊裝工藝規(guī)劃等工作。