3D打印技術(shù)在汽車試制中的應(yīng)用

周偉趙 郜晗

【摘 要】近年來，3D打印技術(shù)快速發(fā)展，在生產(chǎn)小批量汽車零件時(shí)使用3D打印技術(shù)既能降低制造成本又能縮短制造周期，特別適合試制樣車項(xiàng)目部分零件的制造。文章主要介紹3D打印技術(shù)在汽車樣車試制中的常見應(yīng)用，如汽車樣件、汽車工裝夾具和簡易檢具的制造等;同時(shí)，介紹了3D打印技術(shù)在新能源汽車制造方面的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】樣車試制;立體光固化;樣件

【中圖分類號】U472 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2022）04-0097-03

0 引言

一個(gè)全新汽車車型的研發(fā)周期一般需要2～3年，面對激烈競爭的汽車市場，可以說研發(fā)周期的長短關(guān)系著汽車企業(yè)的生死存亡。汽車的研發(fā)周期長，其根本原因在于汽車樣件的加工制造周期較長，而且汽車零部件前期的設(shè)計(jì)開發(fā)成本高昂。這些不足都限制了汽車工業(yè)的發(fā)展[1]。3D打印技術(shù)已經(jīng)在汽車行業(yè)成為重要角色，主要是因?yàn)樗谝欢ǔ潭壬鲜蛊囍圃鞓I(yè)擺脫了對模具的依賴，縮短了新車型和改款車型的研發(fā)周期。

3D打印在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域具有舉足輕重的地位，傳統(tǒng)的汽車開發(fā)設(shè)計(jì)往往無法快速實(shí)現(xiàn)原型初稿的實(shí)物生產(chǎn)，而且原型初稿的實(shí)物生產(chǎn)同樣需要開模具，花費(fèi)成本非常高。有了3D打印，設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)好的模型只需要以很低的成本通過打印機(jī)在幾小時(shí)或者幾十小時(shí)內(nèi)就可以拿到實(shí)物模型，實(shí)物模型試裝完成后，如果有問題可以馬上修改后繼續(xù)進(jìn)行3D打印驗(yàn)證，最終模型確定無誤后就可以開模批量生產(chǎn)。這種方式極大地加快了汽車設(shè)計(jì)更新的迭代周期。

1 3D打印技術(shù)分類和原理

1.1 3D打印工作的基本流程

3D打印技術(shù)又稱為增材制造技術(shù)，是以三維CAD模型文件為基礎(chǔ)（一般是stl格式），使用粉末、絲狀或液態(tài)等材料，通過“分層制造、逐層疊加”的方式直接制造三維實(shí)體的技術(shù)。

需要一個(gè)3D設(shè)計(jì)的軟件完成建模，并轉(zhuǎn)換成stl格式;還需要能支持3D打印格式的專用軟件，該軟件具備將模型切片、設(shè)計(jì)支撐、排列工件、調(diào)節(jié)打印參數(shù)等功能;還需要一個(gè)友好的控制軟件，人機(jī)互動操作，全程監(jiān)控3D打印設(shè)備工作情況。

1.2 汽車行業(yè)常用3D打印技術(shù)的原理

汽車行業(yè)目前應(yīng)用最為廣泛的3D打印技術(shù)有立體光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）4種類型。選擇性激光燒結(jié)（SLS）目前主要使用尼龍材料制造零件，而選擇性激光熔化（SLM）使用金屬材料制造零件，二者的技術(shù)原理相同。

1.2.1 立體光固化成形

立體光固化成形（Stereo Lithography Apparatus，SLA），是一種利用液態(tài)光敏材料的光敏特性，在特定波長的光源或電子束、可見光、不可見光等的照射能量刺激下由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)聚合物，實(shí)現(xiàn)三維物體的快速成型（如圖1所示）。

SLA的優(yōu)點(diǎn)：成型過程自動化程度高;尺寸精度高;表面質(zhì)量較好;系統(tǒng)分辨率較高;能直接制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模具;制作的原型件可以在很多場景下替代塑料件。

SLA的缺點(diǎn)：成型制件外形尺寸穩(wěn)定性差;打印前需要設(shè)計(jì)好模型的支撐結(jié)構(gòu);SLA成型件不方便進(jìn)行機(jī)械加工;只能使用光敏樹脂材料，種類較少;液態(tài)光敏樹脂有輕微的氣味和毒性;成型制件需要使用固化箱進(jìn)行二次固化。

光固化機(jī)理：當(dāng)光源的光譜能量分布與光敏樹脂吸收譜線相一致時(shí)，組成樹脂的有機(jī)高分子吸收紫外線，造成分解、交聯(lián)和聚合，分子量會急劇增大，形成固態(tài)。？譹？訛光引發(fā)自由基聚合，自由基聚合反應(yīng)通常包括引發(fā)、鏈增長、鏈轉(zhuǎn)移和鏈終止過程。？譺？訛光引發(fā)陽離子聚合，一般是利用陽離子光引發(fā)劑在光照下產(chǎn)生的質(zhì)子酸催化環(huán)氧基的開環(huán)聚合，或富電子碳碳雙鍵（如乙烯基醚）的陽離子聚合，這類陽離子光引發(fā)劑主要有硫鹽、碘鹽。

1.2.2 熔融沉積技術(shù)

熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）是一種將各種熱熔性的絲狀材料（蠟、ABS和尼龍等）加熱熔化成形的方法，是3D打印技術(shù)的一種，又可被稱為FFM熔絲成型（Fused Filament Modeling，F(xiàn)FM）或FFF熔絲制造（Fused Filament Fabrication，F(xiàn)FF）。FDM設(shè)備工作原理圖如圖2所示。

FDM是常見的桌面3D打印機(jī)使用最多的技術(shù)。FDM的優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備結(jié)構(gòu)相對簡單，安全環(huán)保，對環(huán)境要求不高。FDM的缺點(diǎn)：打印精度和表面粗糙度一般。

1.2.3 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering，SLS）是一種通過激光發(fā)生器產(chǎn)生激光，通過掃描鏡有選擇地分層燒結(jié)固體粉末（通常是尼龍粉末），并使燒結(jié)成型的固化層不斷層層疊加，最終生成所需形狀零件的工藝。SLS設(shè)備工作原理圖如圖3所示。

SLS的優(yōu)點(diǎn)：可采用多種材料;可制造多種原型;高精度;無需支撐結(jié)構(gòu);材料利用率高。SLS的缺點(diǎn)：表面粗糙;燒結(jié)過程有異味;有時(shí)輔助工藝較復(fù)雜。

2 3D打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用及預(yù)測

3D打印可以分為金屬SLM/DMLS/EBM、尼龍SLS/MJF、塑料FDM和樹脂SLA/DLP/Polyjet。其中，金屬3D打印在汽車上的應(yīng)用主要有制動卡鉗、敞篷支架和塑料模具制造等，代表企業(yè)有德國EOS、德國SLM Solutions和鉑力特;尼龍3D打印在汽車上的應(yīng)用主要有研發(fā)試制階段、工裝夾具制造、小批量最終量產(chǎn)制造和汽車改裝等，代表企業(yè)有德國EOS、美國HP和華曙高科;塑料3D打印在汽車上的應(yīng)用包括研發(fā)試制（造型階段、設(shè)計(jì)階段、試制階段）和工裝夾具（焊接車間、總裝車間），代表企業(yè)有美國Stratasys、美國Ultimaker、Markforge和Bigrep;樹脂3D打印在汽車上的應(yīng)用有研發(fā)試制（主要包括造型階段、設(shè)計(jì)階段和試制階段），代表企業(yè)有美國Stratasys、美國Formlab等。

汽車主要由4個(gè)部分組成：車身、電子附件、內(nèi)飾和動力部件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全球汽車零部件的市場規(guī)模達(dá)1萬億美元，在這1萬億美元的零部件市場中，電動汽車的份額為250億～500億美元（占比2.5%～5%），目前正在朝著1 600億美元的規(guī)模增長。

3D打印用于汽車零部件生產(chǎn)的收入預(yù)測：2020年為26.78億美元，2026年為129.74億美元，2030年達(dá)到203.5億美元（其中25%是與電動汽車零部件相關(guān)的生產(chǎn)）。

2.1 車身部件3D打印

除原型制造外，3D打印在車身零部件制造方面也已經(jīng)展現(xiàn)出了潛力。比如寶馬集團(tuán)在“寶馬”MINI車型當(dāng)中，為客戶定制3D打印的內(nèi)飾件。以及“寶馬”為i8 Roadster車型定制3D打印的窗戶導(dǎo)軌（使用HP MJF技術(shù)）和頂棚支架（使用金屬PBF技術(shù)）。此外，電動汽車公司Local Motors已經(jīng)成功3D打印了整個(gè)汽車車身。車身部件3D打印市場規(guī)模預(yù)測：2020年為2 300萬美元，2026年為3.24億美元，2030年6.5億美元。

2.2 電子輔助部件3D打印

3D打印部件生產(chǎn)公司Slant3D已經(jīng)證明了3D打印電子部件的成本效益，在生產(chǎn)定制部件時(shí)無需開模具。

3D打印汽車電子部件的市場預(yù)測：2020年為4.1億美元，2026年為18.5億美元，2030年為30億美元。

2.3 3D打印汽車內(nèi)飾

2018年，“通用汽車”和Autodesk利用創(chuàng)成式設(shè)計(jì)開發(fā)了3D打印的座椅支架，由不銹鋼材料打印而成，從8個(gè)零件簡化為1個(gè)零件，重量減輕了40%。HP使用MJF技術(shù)生產(chǎn)具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的3D打印汽車座椅。2020年，豪華汽車品牌“保時(shí)捷”為旗下跑車設(shè)計(jì)了3D打印的座椅。

3D打印汽車內(nèi)飾的市場規(guī)模預(yù)測：2020年為7億美元，2026年為33億美元，2030年為55億美元。

2.4 3D打印汽車底盤部件

“保時(shí)捷”和SLM Solutions公司合作，利用3D打印技術(shù)為電驅(qū)動裝置制造外殼。在電動車中，減速機(jī)是一種傳動裝置，其作用是將電機(jī)的動力傳遞給車輪。該部件是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的金屬部件，可以用SLM進(jìn)行優(yōu)化，快速生產(chǎn)。未來，這可能成為一種可行的生產(chǎn)方式。布加迪公司使用3D打印技術(shù)制造了部分汽車底盤部件，包括革命性地使用鈦合金材料3D打印制動卡鉗。

3D打印汽車動力部件的市場預(yù)測：2020年為9.45億美元，2026年為45億美元，2030年為70億美元。

2.5 汽車后市場3D打印部件

汽車后市場3D打印部件的市場預(yù)測：2020年為6億美元，2026年為30億美元，2030年為42億美元。

3 3D打印技術(shù)在汽車試制領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

目前，3D打印機(jī)技術(shù)在各大汽車廠已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，通過對某汽車主機(jī)廠SLS、SLA、FDM、SLM各項(xiàng)3D打印技術(shù)制造的零件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，使用SLS技術(shù)生產(chǎn)的零件數(shù)量占比為35%，使用SLA技術(shù)生產(chǎn)的零件數(shù)量占比為29%，使用FDM技術(shù)生產(chǎn)的零件數(shù)量占比為18%，使用SLM技術(shù)生產(chǎn)的零件數(shù)量占比同樣為18%。

3.1 3D打印試制樣件的開發(fā)

如圖4（a）所示，左側(cè)零件是汽車風(fēng)道功能性原型件。此零件采用傳統(tǒng)硅膠模具翻制需要148 h，成本為35 400元。這個(gè)工藝過程較復(fù)雜：為了滿足強(qiáng)度和耐高溫的要求，首先通過SLA技術(shù)生產(chǎn)模具，然后翻制硅膠模具進(jìn)行測試。采用SLS 3D打印技術(shù)直接打印制造汽車風(fēng)道功能性原型件，生產(chǎn)時(shí)間為7 h，成本為3 000元。生產(chǎn)周期縮短了95%，成本降低了88%。

如圖4（b）所示，左側(cè)零件是汽車儀表臺功能性原型件。此零件尺寸為2 000 mm×550 mm×700 mm，采用傳統(tǒng)制造方式（CNC），必須拆分成很多小件生產(chǎn)，需要開模，生產(chǎn)成本高，耗費(fèi)大量人工，加工精度取決于操作員經(jīng)驗(yàn)，生產(chǎn)周期需要2個(gè)月。采用SLS 3D打印技術(shù)制造汽車儀表臺功能性原型件，生產(chǎn)時(shí)間為7 d，時(shí)間減少了80%，人工成本降低67%，降低了最終部件成本，尺寸精度小于1 mm/2 000 mm。此SLS解決方案的工作流程：增材制造設(shè)計(jì)→打印→組裝→后處理。

以前的汽車樣件開發(fā)通常采用CNC加工或者直接手工打造，例如切削、鉆孔、拼接等，不但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，有部分樣件還需委外加工。3D打印是一種不需要模具的增材制造工藝，不但縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和原型開發(fā)所需的時(shí)間，而且能夠?qū)崿F(xiàn)快速修改設(shè)計(jì)方案，甚至可以不斷進(jìn)行反復(fù)的驗(yàn)證。

3.2 3D打印試制檢具的開發(fā)和制造

3D打印能短時(shí)間快速制造形狀復(fù)雜的簡易檢具，滿足快速檢測零件的要求。簡化了檢具的設(shè)計(jì)，使檢具使用更輕便，縮短了檢具的制作周期的同時(shí)也降低了成本。主要采用的3D打印加工工藝是SLA或SLS。3D打印制造的檢具如圖5所示。

3.3 3D打印試制工裝的開發(fā)和制造

在樣車試制階段，由于白車身尺寸精度不穩(wěn)定，因此在汽車裝配零件的過程中常使用一些焊裝夾具或者手持工裝進(jìn)行裝配。這些夾具和工裝形狀通常比較復(fù)雜，采用CNC等傳統(tǒng)加工方式，加工周期較長。3D打印能短時(shí)間快速制造形狀復(fù)雜的夾具和工裝，滿足裝配零件的要求。這時(shí)主要的3D打印工藝是FDM或SLS。3D打印制造的工裝夾具如圖6所示。

3.4 3D打印在汽車材料中的應(yīng)用

3D打印作為一種全新的生產(chǎn)制造方式，與此對應(yīng)，需要使用相應(yīng)的新生產(chǎn)制造材料。例如，SLA設(shè)備使用的是光敏樹脂材料;SLS設(shè)備使用的是高分子粉末材料;SLM設(shè)備使用的是金屬粉末材料。這就促進(jìn)了新材料研究的不斷發(fā)展，材料成本隨著3D打印行業(yè)的飛速發(fā)展也在逐步降低。3D打印在汽車材料中的應(yīng)用越來越廣泛。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前3D打印材料在汽車主機(jī)廠的應(yīng)用占比如下：塑料材料3D打印占35.4%;金屬材料3D打印占32.8%;色彩3D打印占14.1%;彈性材料3D打印占8.1%;復(fù)合材料3D打印占7%;其他材料3D打印占2.6%?？▋?nèi)基梅隆大學(xué)與美國密蘇里科技大學(xué)的研究人員研發(fā)了一款3D打印電池電極，該電極擁有3D微晶格結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)可控孔隙率[2]。

4 結(jié)束語

3D打印技術(shù)提供了一種快速準(zhǔn)確的方法，大幅降低了汽車樣件生產(chǎn)的成本和時(shí)間。因而，汽車制造廠家在產(chǎn)能、效率和質(zhì)量上迅速得到提升。3D打印技術(shù)在汽車試制零件的制造成本、制造周期、輕量化等方面優(yōu)勢明顯。隨著時(shí)間的推移，3D打印技術(shù)在定制化生產(chǎn)、小批量生產(chǎn)汽車零件方面的應(yīng)用將越來越多。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]楊振英，于博.3D打印在汽車塑料件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用和研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè)，2017（5）：11-15.

[2]申超，全斌義，雷振華.3D打印在汽車零部件中的應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2019（3）：143-145.