各類3D打印成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的對比分析

尉勝男 趙方真

摘 要：隨著2010年世界第一臺3D打印汽車問世，3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。基于此，首先在查閱相關(guān)文獻(xiàn)、專家訪談的基礎(chǔ)上，確定各類3D打印快速成型技術(shù)的基本原理，為每一種成型技術(shù)的研發(fā)對比提供基礎(chǔ)。其次，通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。最后，得出最高效、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：3D打??；汽車研發(fā)；成型技術(shù)；對比分析

3D打印技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)模型，采用快速打印的方式把粉末類金屬、塑料材料粘合在一起，生成目標(biāo)物品的技術(shù)。早在20世紀(jì)80年代末，Charles Hull就發(fā)明了第一臺3D打印機，而在十多年后，也就是2010年世界第一臺3D打印汽車問世，預(yù)示著3D打印汽車時代的到來。目前，近年來中國汽車使用量大幅度增加，各汽車廠商為占據(jù)市場份額，紛紛加快新車型的研發(fā)，傳統(tǒng)汽車開發(fā)需要較長時間的研究和測試，模具制造也需要相當(dāng)長的一個周期，不僅浪費人力財力物力，而且導(dǎo)致原材料的大量浪費。因此，3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。鑒于此，我們需要充分利用 3D 打印技術(shù)可以直接從計算機建立好的數(shù)學(xué)模型生成各種零部件的優(yōu)勢，以其無需模具和增材制造的特點，生產(chǎn)出所需的零部件，通過對比在汽車研發(fā)中各類3D打印成型技術(shù)的優(yōu)缺點，得到最高效、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價值。

1 3D打印快速成型技術(shù)原理

3D打印技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)模型，采用快速打印的方式把粉末類金屬、塑料材料粘合在一起，生成目標(biāo)物品的技術(shù)。它的核心技術(shù)就是快速成型技術(shù)，主要是通過計算機的控制，根據(jù)使用材料的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速成型目標(biāo)物品，這就利用到了3D打印快速成型技術(shù)，目前這一技術(shù)大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）、絲狀材料選擇性熔覆工藝（FDM）和粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）三種。具體如下幾點。

1.1 光敏樹脂選擇性固化工藝

針對SLA工藝，是出現(xiàn)最早的3D打印技術(shù)，其原理和雕塑的原理想通，主要是運用光束對液體材料進行掃描，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖1所示：（1）首先將液態(tài)材料放入樹脂槽中，但不能完全填滿樹脂槽；（2）然后用激光光束掃描液體樹脂材料，將液體固化，并形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。SLA工藝的優(yōu)點是：打印誤差小，可以打印出體積小、復(fù)雜度高的目標(biāo)物品，特別適合打印小型零部件和小型工藝品。SLA工藝的缺點是：使用的樹脂材料不易保存，且會造成污染環(huán)境，不符合綠色制造的理念。另外，SLA工藝對儀器的精度要求很高，提高了生產(chǎn)成本。

1.2 絲狀材料選擇性熔覆工藝

針對FDM工藝，是一種相對成熟、應(yīng)用廣的3D打印技術(shù)，其原理主要是融化絲狀材料再組合的過程，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖2所示：（1）首先將絲狀材料放入絲輪中進行融化；（2）然后再使用噴頭擠壓，并在工作臺反復(fù)運動，逐漸實現(xiàn)液體固化，并形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。FDM工藝的優(yōu)點是：使用的絲狀材料多是廢物利用，既能廢物利用也能保護環(huán)境。另外，F(xiàn)DM工藝對儀器的精度要求很低，能節(jié)省很多生產(chǎn)成本。SLA工藝的缺點是：打印誤差大，只能打印出體積大、低精度的目標(biāo)物品，特別適合打印大型零部件。

1.3 粉末材料選擇性燒結(jié)工藝

針對SLS工藝，是融合了SLA工藝和FDM工藝的優(yōu)缺點的一種3D打印技術(shù)，尤其在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的適應(yīng)性最廣。其原理主要是將粉末狀材料熔化再凝結(jié)的過程，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖3所示：（1）首先將粉末狀材料放入粉料缸中進行熔化；（2）然后使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺反復(fù)運動，逐漸實現(xiàn)液體固化，并形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。SLS工藝的優(yōu)點是：適合中小部件的生產(chǎn)。使用的粉末材料環(huán)保，且可使用的粉末材料很多，節(jié)省了成本。另外，SLS工藝的結(jié)果精度也較高，能夠快速成型。而且SLS工藝的可能加功能很多種混合粉末材料，能產(chǎn)生新的工件。SLS工藝的缺點是：粉末狀顆粒會干擾目標(biāo)物品表明的光滑度，形成很多小孔，材料還需要后期加工。

2 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用案例

目前，3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，本文將通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。

2.1 3D打印車

2010年，世界第一輛純3D打印車Ubree誕生。全車的所有部件都是采用3D打印技術(shù)打印出來的，工人只需要將這些零部件組合起來就可以了，遠(yuǎn)遠(yuǎn)縮短了汽車制造中的零部件生產(chǎn)周期。隨后，改進的Urbee2全車只有50個打印的零部件，進一步縮短了汽車制造中的零部件組裝時間。

Urbee 車的制造過程：（1）首先利用計算機對車身結(jié)構(gòu)進行建模，（2）做成成比例的油泥模型，（3）計算機掃描油泥模型掃描并錄入，（4）使用FDM工藝，進入3D打印環(huán)節(jié)：通過3D打印機的噴頭塑造出成型產(chǎn)品。

Urbee車的優(yōu)點有：（1）全車輕盈、穩(wěn)定、體積小，而且最高時速可以達(dá)到每小時112千米。（2）Urbee車的具有節(jié)能環(huán)保性能，汽車本身的生產(chǎn)材料具有可回收、可獲取的特點，汽車后期的出行具有低能耗、長距離的特點，降低了對燃料的使用，也推進了人類的環(huán)保事業(yè)。（3）在生產(chǎn)過程中，設(shè)計師為了增加材料的安全性能，將車身的內(nèi)部填充材料用多種絲狀材料融合，形成了一種全新的材料，具有堅硬和韌性的雙重特點。