基于3D打印經(jīng)典汽車產(chǎn)品的分析

田紅艷 馬芮 丁治中

摘 要：3D打印技術(shù)打破了傳統(tǒng)汽車制造對(duì)于模具的依賴，使得3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用更加廣泛。文章運(yùn)用文獻(xiàn)綜述法、個(gè)案分析法探討了3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用與局限性，并采用具體實(shí)例說明3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：3D打印;汽車制造;產(chǎn)品分析

中圖分類號(hào)：F4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1064（2021）08-080-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.040

3D打印是一種利用計(jì)算機(jī)三維軟件建模，將所選擇的材料以較薄的厚度逐層進(jìn)行打印的增材制造技術(shù)[1]。3D打印的產(chǎn)品具有成型速度快、生產(chǎn)成本低、打印精度高等特點(diǎn)[2]。利用該技術(shù)結(jié)合三維建模軟件，能在幾個(gè)小時(shí)或幾天內(nèi)生成產(chǎn)品的概念模型。由于該技術(shù)進(jìn)行逐一打印的特性，其能生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜、尺寸較小、難度較大的產(chǎn)品及零件。該技術(shù)通過對(duì)所使用的材料進(jìn)行選擇和對(duì)三維模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，能使打印的產(chǎn)品傾向于輕量化，因此被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

3D打印適用于小型化、個(gè)性化的產(chǎn)品，但由于3D打印自身受材料的限制以及當(dāng)下科技的局限性，其在汽車制造方面并沒有優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)外很多汽車制造品牌都在研究3D打印與汽車制造更多方面的聯(lián)系[3]。這些品牌之所以研究3D打印技術(shù)與汽車制造的聯(lián)系，是因?yàn)?D打印技術(shù)能在一定程度上降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品的市場(chǎng)周期、便于用戶進(jìn)行個(gè)性化的定制以及產(chǎn)品的輕量化等。

1 產(chǎn)品個(gè)案分析

1.1 Urbee

美國(guó)Jim Kor團(tuán)隊(duì)打造出世界上第一輛由打印機(jī)打印而成的汽車Urbee，由于該汽車屬于單件生產(chǎn)，沒有供應(yīng)商愿意為該團(tuán)隊(duì)提供汽車零部件，團(tuán)隊(duì)便產(chǎn)生了使用3D打印進(jìn)行生成的想法。嚴(yán)格意義上來說，其并不是完全由3D打印而產(chǎn)生的，其部分零部件以及其外殼是使用3D打印生成的，大多數(shù)配件仍然采用傳統(tǒng)的制造方式生產(chǎn)。由于3D打印對(duì)外形的包容度很大，該團(tuán)隊(duì)對(duì)Urbee外形使用了流線型的橢圓設(shè)計(jì)，整體上較為圓潤(rùn)，給人一種萌酷的感覺，如圖1所示。

在當(dāng)時(shí)，3D打印還處于快速成型、修理改裝、外殼打印階段。很顯然，這并不是一輛真正意義上的汽車，更像是大學(xué)生競(jìng)賽的節(jié)能車。近年來，3D打印技術(shù)使節(jié)能車的開發(fā)變得更快，輕量化性能變得更好，然而節(jié)能車上的技術(shù)積累，與真正的汽車技術(shù)相差甚遠(yuǎn)。

1.2 Strati

Strati是由國(guó)外汽車公司采用熔融沉積成型（FDM）方法打造的，材料使用的是ABS塑料，是第一輛3D打印雙人電動(dòng)車。其整體車身都是由3D打印機(jī)進(jìn)行打印的，整體采用扁長(zhǎng)型設(shè)計(jì)，外形較為圓潤(rùn)，無大尖銳的部分。在整個(gè)打印過程中，Strati的產(chǎn)品成型一共使用了212層碳纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。Strati的零部件較少，整個(gè)車體只有40個(gè)零部件，如圖2所示。

Strati汽車速度限制在每小時(shí)60公里左右，需要考慮汽車整車的安全問題，這也是目前3D打印汽車所面臨的一個(gè)較為重要的問題。3D打印這種層疊堆積材料制件的方式，導(dǎo)致制品和傳統(tǒng)加工工藝做出來的零件在各項(xiàng)性能上存在差距。

3D打印金屬結(jié)構(gòu)件的技術(shù)還不成熟，使用塑料類材料相對(duì)來說要更成熟，且成本也更低，導(dǎo)致目前3D打印普遍采用塑料材料。使用非金屬材料做車身問題不大，但是在底盤結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度、剛度、耐疲勞等方面，仍然與金屬結(jié)構(gòu)件存在一定的差距。

進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)時(shí)，注塑件的拔模角是限制設(shè)計(jì)師思維發(fā)散的重要因素。表面上不存在特殊皮紋處理的塑料件至少要3°，而如果加了各種形式的皮紋，那么拔模角則有可能達(dá)到5°甚至7°。對(duì)于格柵、大燈上很多縱深很大的零件來說，如果前端的特征只有2毫米，那么尾端則會(huì)因?yàn)榘文＝菑堥_到超過10毫米，這對(duì)于很多比較細(xì)節(jié)的特征來說是無法接受的，而3D打印就不存在這個(gè)問題。理論上來講，3D打印的零件沒有拔模角，便于設(shè)計(jì)師進(jìn)行思維發(fā)散。

1.3 LESV

由中國(guó)人創(chuàng)立的意大利公司XEV，推出了全球首款量產(chǎn)3D打印小型雙座智能汽車LESV，如圖3所示。LESV的所有內(nèi)部飾件都是采用3D打印的非結(jié)構(gòu)件，該汽車在3D打印過程中所使用的材料，是利用玉米進(jìn)行提煉得出的環(huán)保材料。由于3D打印技術(shù)的靈活性，對(duì)物體外形及部分零件的制造接受度較高，較為適合汽車風(fēng)格與功能的個(gè)性化定制。

3D打印從速度上來說，守住已經(jīng)設(shè)計(jì)好的安裝結(jié)構(gòu)，車身表面的各種特征可以隨時(shí)修改，修改時(shí)間也較短。只要有了數(shù)據(jù)，就可以直接批量生產(chǎn)。同時(shí)，由于3D打印在速度上的優(yōu)勢(shì)，3D打印汽車可以做自由度較高的個(gè)性化定制，如圖4所示。比如，圖4中皮卡丘版的耳朵和必勝客版的“帽子”，都可以做到和車身一體化。

汽車領(lǐng)域受到3D打印材料的限制很大。人們對(duì)金屬和皮革的喜愛一直沒減弱過，車身外飾的各種鈑金件的弧度、質(zhì)感等都是用塑料模仿出來的。另外，在內(nèi)飾中，有一些小裝飾、小包邊也都要用到金屬。如果想追求金屬的質(zhì)感，還是要用傳統(tǒng)的方式做部件。目前，皮革仍不能由3D打印，必要的地方還是需要做包裹，否則內(nèi)飾的廉價(jià)感會(huì)很強(qiáng)。以XEV展出的LSEV樣車的狀態(tài)來看，內(nèi)飾的質(zhì)感還比一款普通車差很遠(yuǎn)，全方位的“塑料”讓人覺得有點(diǎn)硬邦邦的，如圖5所示。

1.4 Olli

首款3D打印的自動(dòng)駕駛巴士“Olli”，如圖6所示。配備IBM人工智能“Watson”的12座自動(dòng)駕駛公交車“Olli”，使用3D打印機(jī)直接制造車身的25%，其余25%的零件都使用3D打印技術(shù)，3D打印相關(guān)部件占總數(shù)的50%。

使用3D打印技術(shù)，能在一定程度上減少汽車的生產(chǎn)成本，降低汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期。在多輪環(huán)節(jié)中，如果某一部分出現(xiàn)錯(cuò)誤，便于及時(shí)修改設(shè)計(jì)文件或方案，不用從新開始。3D打印技術(shù)使模塊化和可定制性成為可能，從而可以輕松地根據(jù)顧客的需求更改內(nèi)部設(shè)計(jì)。

2 結(jié)語(yǔ)

3D打印具有改變一個(gè)行業(yè)的潛力，增材制造在汽車工業(yè)中的使用也越來越多。3D打印技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了行業(yè)的更新升級(jí)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)又降低了產(chǎn)品的成本。然而，傳統(tǒng)制造模式大批量生產(chǎn)、產(chǎn)品生產(chǎn)成本低的優(yōu)勢(shì)，是3D打印技術(shù)目前所不具備的，這也就決定了3D打印目前只能是對(duì)傳統(tǒng)制造模式的創(chuàng)新和補(bǔ)充。

總的來說，3D打印并不是一項(xiàng)全新的技術(shù)，其只是改進(jìn)了制造工藝，提高了某些環(huán)節(jié)的效率[4]。其雖能優(yōu)化傳統(tǒng)制造工藝，在目前傳統(tǒng)制造所無法實(shí)現(xiàn)的部分進(jìn)行創(chuàng)新，但整體上3D打印還取代不了傳統(tǒng)制造的主要地位，3D打印的發(fā)展仍然任重道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳鵬.3D打印技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2018（11）：27-28.

[2] 劉春榮.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究[J].時(shí)代汽車，2019（11）：127-128.

[3] 王晨.論3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域的應(yīng)用[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2020，244（7）：70.

[4] 賈紹勇.3D打印在汽車零部件行業(yè)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020，323（23）：103-104.