3D 打印技術(shù)在車企內(nèi)部的分析及配套體系應(yīng)用

李雨橋，于雙義

（河南森源重工有限公司，河南 長葛 461500）

引言

當(dāng)今科技發(fā)展速度迅猛，汽車造型復(fù)雜、功能復(fù)雜的零部件及汽車酷炫造型的需求越來越多?，F(xiàn)如今傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造體系已不在適應(yīng)當(dāng)代車企高質(zhì)量、高速發(fā)展需求，3D 打印技術(shù)以其能夠完美打印出復(fù)雜零件造型，能夠打印出傳統(tǒng)制造體系不能生產(chǎn)的造型[5]，能夠降低成本打印出傳統(tǒng)制造體系生產(chǎn)成本較高的復(fù)雜造型，依托國家政策、政府方針，出現(xiàn)于各個(gè)汽車企業(yè)體系中，打造新型3D 打印配套體系。加快發(fā)展車企汽車研發(fā)到投入市場的全過程，推動(dòng)車企利用3D打印技術(shù)高質(zhì)量、高速發(fā)展。

在未來，為使車企緊跟時(shí)代潮流，甚至引領(lǐng)時(shí)代潮流，必要引進(jìn)3D 打印技術(shù)，建立成熟配套體系，貫穿汽車研發(fā)、試制、生產(chǎn)各個(gè)階段，3D 打印技術(shù)逐步成為車企各階段的不可或缺技術(shù)。本篇詳細(xì)介紹分析在車企內(nèi)部如何運(yùn)用3D 打印技術(shù)，分析如何建立主流3D 打印技術(shù)配套體系，為各大車企引入3D 打印技術(shù)、建立配套體系提供參考。

1 3D 打印技術(shù)在車企內(nèi)部的分析

1.1 3D 打印技術(shù)介紹

3D 打印技術(shù)，是一種增材制造技術(shù)，被稱為是“第三次工業(yè)革命”的重要內(nèi)容，是快速成型技術(shù)之一。3D 打印技術(shù)利用各種粉末狀或絲狀材料，通過逐層打印方式，堆疊起來，得到實(shí)物的一種技術(shù)方法。

3D 打印技術(shù)，從18 世紀(jì)末期美國已經(jīng)出現(xiàn)技術(shù)的核心制造思想，至20 世紀(jì)80 年代該技術(shù)已趨于成熟。我國在20世紀(jì)90 年代才開始興起，21 世紀(jì)就已實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展，應(yīng)用于汽車企業(yè)內(nèi)部各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)之中。

1.2 3D 打印技術(shù)特點(diǎn)

3D 打印技術(shù)，以其自身性質(zhì)、加工方式及未來發(fā)展境況，可概括為“快、廉、綠”特點(diǎn)。

“快”：快速制造打印。不需要模具制造，加快新產(chǎn)品驗(yàn)證，縮短研發(fā)周期。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D 打印技術(shù)提高了零件加工效率的3—5 倍，縮短了新產(chǎn)品研發(fā)周期的30%—90%。

“廉”：廉價(jià)、節(jié)約。3D 打印是增材加工，節(jié)省原材料的使用，而傳統(tǒng)制造模式是減材加工，浪費(fèi)大量原材料，造成資源浪費(fèi)、成本增加。3D 打印設(shè)備不需招收大量專業(yè)人員，只需招收少量人員，只學(xué)習(xí)設(shè)備使用方法即可進(jìn)行操作，節(jié)約人力成本。3D 打印設(shè)備放置位置不需工廠大面積基建，節(jié)約建設(shè)成本。相比傳統(tǒng)制造技術(shù)，節(jié)省研發(fā)、生產(chǎn)、建設(shè)成本的30%—50%。

“綠”：綠色化、環(huán)?；?。3D 打印設(shè)備所處環(huán)境無污染、無噪音、無煙氣彌漫，綠色環(huán)保。

1.3 主流3D 打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

表1 主流3D 打印技術(shù)對(duì)比

在現(xiàn)今所有的3D 打印技術(shù)中，選取主流3D 打印技術(shù)進(jìn)行比較，列出表1 主流3D 打印技術(shù)對(duì)比表格[3]。主流3D 打印技術(shù)有：SLA（光敏樹脂選擇性固化）、SLS（激光燒結(jié)）、FDM（熔融沉積）、3DP（噴射打?。?/p>

1.4 3D 打印技術(shù)在各階段作用分析

在汽車企業(yè)中，一輛汽車投入市場前需要經(jīng)歷三個(gè)大階段：研發(fā)、試制、生產(chǎn)。在各個(gè)階段中，利用3D 打印技術(shù)，能夠縮短各階段周期，降低各階段成本，提高各階段效率，利于搶占市場份額。[7]

1.4.1 研發(fā)階段

研發(fā)階段是整個(gè)流程的初始階段，起著至關(guān)重要作用。3D 打印技術(shù)在這一階段主要作用是：驗(yàn)證模型。驗(yàn)證數(shù)字模型在現(xiàn)實(shí)中的各種狀態(tài)，快速得出想要的結(jié)果，例如：視覺、強(qiáng)度、功能等等。3D 打印技術(shù)能夠節(jié)省傳統(tǒng)制造技術(shù)的模型制作周期及成本，大大節(jié)省研發(fā)周期、成本。

3D 打印技術(shù)在這一階段另一凸顯作用是：指導(dǎo)后期試制、生產(chǎn)，根據(jù)研發(fā)結(jié)果快速打印實(shí)物模型。人的思維可以快速分析實(shí)物模型，而不可以快速分析三維數(shù)字模型，需經(jīng)過思維轉(zhuǎn)化數(shù)字模型才能了解其相關(guān)信息。實(shí)物模型也能夠很大程度提高處理后期出現(xiàn)各種問題的效率?？s短后期試制、生產(chǎn)周期。

1.4.2 試制階段

試制階段是針對(duì)研發(fā)階段結(jié)果在現(xiàn)實(shí)中的初次車輛制造，驗(yàn)證實(shí)車各種性能，避免產(chǎn)品投入市場出現(xiàn)大量問題，造成影響。3D 打印技術(shù)在這一階段主要作用是：快速生產(chǎn)各種附屬零部件。對(duì)于整車之中不太重要、造型復(fù)雜、功能不強(qiáng)的零部件，進(jìn)行快速打印，節(jié)省整車裝配時(shí)間，降低整車成本，加快整車試制進(jìn)度。

1.4.3 生產(chǎn)階段

生產(chǎn)階段是進(jìn)行車輛量產(chǎn)化階段，需要大批量零件，進(jìn)行裝配。3D 打印技術(shù)在這一階段主要作用是：進(jìn)行大批量打印，形成規(guī)模化3D 打印車間。為整車裝配即時(shí)供應(yīng)零件，不需提前下發(fā)生產(chǎn)計(jì)劃，節(jié)省資源，可即時(shí)交付車輛訂單，達(dá)到“想要什么就打印什么”的目標(biāo)。

1.5 3D 打印技術(shù)應(yīng)用

3D 打印技術(shù)應(yīng)用于整個(gè)車企各個(gè)環(huán)節(jié)。在整車造型設(shè)計(jì)方面，利用3D 打印技術(shù)打印三維造型數(shù)模，直接、多角度觀察實(shí)物模型，驗(yàn)證模型可行性，準(zhǔn)確、高效的進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。

在零件制造方面，利用3D 打印技術(shù)打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多材料復(fù)合、輕量化結(jié)構(gòu)等零件，降低整車裝配、試制試驗(yàn)成本，加快生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)度。

在售后維修方面，可即時(shí)打印維修所用零部件，更換損壞配件，省時(shí)省力。

另外，在設(shè)計(jì)驗(yàn)證、輔助檢具和夾具、小批量機(jī)械制造等等方面，都可利用3D 打印技術(shù)進(jìn)行打印，貫穿汽車制造的各個(gè)環(huán)節(jié)。[4]

2 3D 打印技術(shù)在車企內(nèi)部的發(fā)展前景

2.1 發(fā)展前景

3D 打印技術(shù)，在汽車領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步不斷完善發(fā)展。未來，只有不斷發(fā)展3D 打印技術(shù)，完善3D 打印技術(shù)缺陷，更進(jìn)一步優(yōu)化3D 打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)使汽車企業(yè)制造體系逐步脫離傳統(tǒng)制造體系，以3D 打印技術(shù)為中心，形成新的制造體系。

3D 打印技術(shù)依據(jù)“快、廉、綠”的特點(diǎn)，3D 打印設(shè)備未來將會(huì)逐步替換現(xiàn)有銑床、刨床、折彎機(jī)等傳統(tǒng)制造設(shè)備，形成新的成規(guī)模的3D 打印車間，進(jìn)行大批量打印制造。

依據(jù)新體系和3D 打印特點(diǎn)，未來的銷售模式可大膽推測為定制化模式，訂制客戶專屬標(biāo)識(shí)、特色產(chǎn)品造型，形成“簽訂單——建模型——下計(jì)劃——行生產(chǎn)”的一體化鏈條，讓客戶參與這一過程，滿足客戶訂制欲望，拓展客戶需求范圍?？梢灶A(yù)見，3D 打印技術(shù)將促使汽車企業(yè)更寬、更廣、更快發(fā)展。

2.2 挑戰(zhàn)

3D 打印技術(shù)或受其自身限制，或受公司人員意識(shí)限制，或受環(huán)境限制等等，在未來引入、應(yīng)用3D 打印技術(shù)面臨眾多挑戰(zhàn)。

（1）精度和效率的挑戰(zhàn)。精度和效率是各個(gè)車企關(guān)心的最主要問題。精度方面，3D 打印技術(shù)由于其技術(shù)特性，精度難以達(dá)到傳統(tǒng)制造加工精度程度，如若提高精度，則需降低打印的每一層厚度，這延長了打印時(shí)間。效率方面，目前的打印速度還未達(dá)到理想狀態(tài)——普遍超過傳統(tǒng)制造加工速度，只在部分復(fù)雜零件中，超過傳統(tǒng)制造加工速度。

（3）場外運(yùn)土車輛必須按環(huán)保要求全面覆蓋，防止沿途發(fā)生拋灑現(xiàn)象。車輛離開現(xiàn)場前要進(jìn)行清洗，車輪上不得夾泥帶砂。在行人集中區(qū)域要低速慢行。

（2）力學(xué)性能的挑戰(zhàn)。3D 打印零部件無法達(dá)到部分力學(xué)性能要求，目前的3D 打印件只能應(yīng)用于整車的附件、配飾裝配上，不能承擔(dān)整車主體零部件應(yīng)用，需對(duì)成型結(jié)果的內(nèi)部質(zhì)量和力學(xué)性能控制、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等技術(shù)瓶頸進(jìn)行攻克。

（3）材料適用范圍的挑戰(zhàn)。目前可用于3D 打印的材料大概有300 多種，對(duì)這些材料需要進(jìn)行二次加工，制造用于打印的粉末顆粒狀或絲狀等，制造時(shí)間、精度、強(qiáng)度等要求較高，應(yīng)用領(lǐng)域不廣泛。應(yīng)降低3D 打印所用材料種類、形態(tài)應(yīng)用限制，應(yīng)達(dá)到 “隨拿隨用”狀態(tài)。

（4）打印尺寸的挑戰(zhàn)。目前市場上的3D 打印機(jī)，普遍打印尺寸XYZ 軸在1m 以下范圍中，應(yīng)用于大尺寸零部件打印能力明顯不足，需要分段打印、粘貼處理，無法保證零部件整體性能，易破壞零部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致零部件具有潛在的損壞性。

（5）工藝穩(wěn)定性的挑戰(zhàn)。3D 打印技術(shù)過程是數(shù)百層堆疊成型過程，這一過程一方面易導(dǎo)致層間結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，影響成型件的質(zhì)量。另一方面，如若某一層打印過程中出現(xiàn)問題，會(huì)導(dǎo)致打印中斷，報(bào)廢打印件，影響打印件成型的時(shí)間，這就需要較高的零部件工藝穩(wěn)定性。

雖有這些挑戰(zhàn)，3D 打印技術(shù)以其自身特性，仍在當(dāng)今國際形勢中發(fā)展迅猛，在未來力爭一一克服這些挑戰(zhàn)，發(fā)展完善的3D 打印技術(shù)，以能夠滿足車企的快速發(fā)展格局。[1]

3 配套體系應(yīng)用

3.1 體系流程

綜合主流3D 打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)，及其自身特點(diǎn)，形成“模型建立——模型處理——3D 打印——后處理——零部件——裝配”體系。下圖所示詳細(xì)體系步驟圖1 體系流程。

圖1 體系流程

3.2 體系各階段作用

依據(jù)體系流程，分析各階段作用。

模型建立階段：研發(fā)部門或需求3D 打印的相關(guān)部門，建立相關(guān)產(chǎn)品零部件高質(zhì)量模型，轉(zhuǎn)入下一階段。

模型處理階段：這一階段，主要進(jìn)行模型處理，生成3D打印設(shè)備可用文本。這一階段主要包括：修補(bǔ)3D 模型、轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式STL、切片計(jì)算、生成打印路徑、導(dǎo)入設(shè)備等。

3D 打印階段：在上一階段模型導(dǎo)入設(shè)備后，進(jìn)入這一階段。對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)工作，防止打印過程中斷、浪費(fèi)材料發(fā)生。確定后，設(shè)備進(jìn)行打印，隨時(shí)觀察打印過程。

后處理階段：零部件打印完成后，轉(zhuǎn)入這一階段。處理零部件打印遺留問題，主要包括：支撐移除、模型修補(bǔ)、表面打磨、噴漆等。針對(duì)不同技術(shù)有相應(yīng)的后處理工作，這里只列出主要工作。[6]

零部件階段：整個(gè)打印流程結(jié)束，建立零部件打印檔案，轉(zhuǎn)入下一階段。

裝配階段：進(jìn)行整車裝配。

3.3 面臨的問題

基于3D 打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)、特點(diǎn)及市場環(huán)境，面臨以下問題。[8]

（1）價(jià)格問題：一方面，在現(xiàn)今的3D 打印技術(shù)研發(fā)下，3D 打印設(shè)備造價(jià)較高，即使市場上有廉價(jià)打印設(shè)備，這種打印設(shè)備在使用過程中容易出現(xiàn)各種問題，造成打印中斷，延誤計(jì)劃進(jìn)度。另一方面，培訓(xùn)3D 打印設(shè)備，成本比較昂貴。

（2）材料問題：現(xiàn)有的打印材料性能無法滿足部分零部件性能要求，部分打印材料還需依賴進(jìn)口，價(jià)格比較昂貴，同時(shí)，受技術(shù)限制，打印所需選擇材料種類也不廣泛，這給打印件帶有一定的隱患。

（3）知識(shí)產(chǎn)權(quán)問題：3D 打印技術(shù)被廣泛應(yīng)用后，受到傳統(tǒng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的各類創(chuàng)意產(chǎn)品，或受到傳統(tǒng)制造技術(shù)限制的創(chuàng)意產(chǎn)品，將會(huì)被3D 打印技術(shù)大規(guī)模復(fù)制應(yīng)用，易引發(fā)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)大戰(zhàn)，造成不良影響。

（4）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范問題：現(xiàn)今，各公司的3D 打印標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范都是各自制定，沒有形成汽車行業(yè)統(tǒng)一的3D 打印標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，缺乏領(lǐng)頭目標(biāo)參照和盈利模式，容易造成汽車行業(yè)混亂，無法促進(jìn)汽車行業(yè)發(fā)展。

（5）意識(shí)層面問題：由于現(xiàn)今沒有一個(gè)因3D 打印技術(shù)帶來盈利的帶頭公司，無法給其它公司樹立目標(biāo)，公司沒有意識(shí)到3D 打印技術(shù)的潛在利益，也受到3D 打印技術(shù)成本昂貴的限制，造成公司對(duì)3D 打印技術(shù)的認(rèn)識(shí)淺薄，給公司引入3D 打印技術(shù)帶來一定阻礙。

4 結(jié)束語

3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)，將可以大幅度降低汽車開發(fā)、試制、生產(chǎn)過程中的成本，提高利潤及工作效率，縮短新車型開發(fā)時(shí)間，更快速搶占市場份額，使價(jià)格便宜、技術(shù)完善、造型酷炫的汽車因3D 打印技術(shù)的出現(xiàn)而使消費(fèi)者從中受益。3D打印技術(shù)的出現(xiàn)，更加促進(jìn)汽車行業(yè)的快速發(fā)展，使車企向高質(zhì)量發(fā)展道路大踏步邁進(jìn)，為人們?nèi)粘Ｉ顜砀鄻啡?。[9]