汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用分析

蔣佳浩

摘 要：近些年中國汽車保有量快速上，對車輛的要求也趨向于多元化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化，行業(yè)競爭日益激烈。在此背景下，3D打印技術(shù)傳入我國后，直接顛覆了傳統(tǒng)的機(jī)械制造。在零件和部件的加工和制造過程中發(fā)揮著十分重要的作用。更加有效的提高了生產(chǎn)率與生產(chǎn)質(zhì)量。3D打印技術(shù)以其生產(chǎn)過程無需模具、加工過程更加簡單化，快速進(jìn)入人們的視線。因此在當(dāng)前機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域中，也是廣大企業(yè)推廣應(yīng)用的重要技術(shù)手段之一。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 機(jī)械制造 應(yīng)用

1 引言

自21世紀(jì)以后，3D打印技術(shù)傳入我國之后，就在航空航天產(chǎn)品，醫(yī)療器械以及汽車生產(chǎn)中得到了普及應(yīng)用促進(jìn)了機(jī)械制造技術(shù)改革，也使機(jī)械制造越來越智能化、自動化，在結(jié)合各項(xiàng)汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中，來調(diào)整3D打印技術(shù)的使用方式。必須根據(jù)使用效果以及反饋出來的問題對3D打印技術(shù)的完善與優(yōu)化。切實(shí)提升機(jī)械制造質(zhì)量與效率，推動汽車機(jī)械制造領(lǐng)域的穩(wěn)定發(fā)展。

2 3D打印技術(shù)的基本概念

3D打印技術(shù)作為快速成型技術(shù)。3D打印技術(shù)采用分層加工疊加成型，將數(shù)字化模型進(jìn)行分層切片，本質(zhì)上是將連續(xù)的表面分解為微小單元，是數(shù)學(xué)層面上微分的操作。3D打印廣泛用于軍事，醫(yī)療，機(jī)械等領(lǐng)域，在不斷發(fā)展中，結(jié)合了數(shù)據(jù)分析、BIM技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)了機(jī)械制造技術(shù)改革。在3D打印機(jī)有金屬、陶瓷、塑料等不同的打印材料。在實(shí)際打印過程以不同層為基礎(chǔ)構(gòu)建，部件主要的打印，在打印過程中，通過選擇性熱燒結(jié)、電子束熔化成型、光聚合等多重模式實(shí)現(xiàn)對材料的精細(xì)化、個性化打印。促使汽車機(jī)械制造越來越智能化和自動化，解決了在實(shí)際生產(chǎn)中產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的制約的問題，在保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率的基礎(chǔ)上，還降低了生產(chǎn)成本。因此3D打印技術(shù)憑借自身的優(yōu)勢，在汽車機(jī)械制造領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用空間。

3 汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的現(xiàn)狀

3.1 3D打印技術(shù)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

3D打印機(jī)技術(shù)在醫(yī)療、軍工、航天、精密制造領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。所以各企業(yè)尤其是技術(shù)開發(fā)能力比較高的企業(yè)都在降低成本，縮短研發(fā)周期，簡化復(fù)雜結(jié)構(gòu)化產(chǎn)品的生產(chǎn)過程中，采用了3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)不僅能代替生產(chǎn)線完成生產(chǎn)的工作，還可以依托先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)，不需要借助模型來進(jìn)行復(fù)雜的結(jié)構(gòu)化生產(chǎn)，可縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。目前我國已在3D打印技術(shù)領(lǐng)域取得了較高的成績。3D打印技術(shù)不僅用于我國的航天實(shí)驗(yàn)，還用于各類的醫(yī)療器械生產(chǎn)以及汽車行業(yè)當(dāng)中。

到目前為止，許多大學(xué)，都開展了3D打印技術(shù)的研發(fā)。3D打印技術(shù)是多種技術(shù)的組合，包含設(shè)備研發(fā)、3D掃描、虛擬成型等不同領(lǐng)域的技術(shù)。打印產(chǎn)品后處理等一系列研究。3D打印技術(shù)在航天、汽車、醫(yī)療等行業(yè)有突出的表現(xiàn)。因此國家和相關(guān)企業(yè)加大資金投入，加強(qiáng)對3D打印技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，使3D打印技術(shù)為機(jī)械制造創(chuàng)造更大的價(jià)值。

3.2 3D打印技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域的現(xiàn)狀

目前3D打印技術(shù)用于奇瑞汽車，長安福特，東風(fēng)汽車，神龍汽車等我國汽車企業(yè)內(nèi)部的研發(fā)以及零部件的生產(chǎn)。

在近幾年3D打印技術(shù)被大多數(shù)人所認(rèn)知，主要是3D打印技術(shù)對于汽車生產(chǎn)企業(yè)以及汽車制造企業(yè)和汽車零件配件生產(chǎn)企業(yè)，起到了至關(guān)重要的作用。同時也是對老生產(chǎn)基礎(chǔ)的一種變革。同時3D打印技術(shù)，對于概念車開發(fā)，幫助企業(yè)減少研發(fā)時間，節(jié)約研發(fā)成本。利用三維數(shù)字化技術(shù)，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程更加智能化，簡單化，極大簡化了傳統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)步驟。同時3D打印技術(shù)也可以滿足客戶的私人定制需求，也能滿足了個性化的產(chǎn)品定制。3D打印技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了對產(chǎn)品的優(yōu)化，在對實(shí)物的模型進(jìn)行構(gòu)建時也起到了至關(guān)重要的作用。在對物體的再造升級過程中，3D打印技術(shù)不僅節(jié)約了研發(fā)的成本，同時縮短了車輛更換配件的時間，降低了維修人員的工作壓力，促進(jìn)車輛下游行業(yè)良性發(fā)展。

但是對于一些進(jìn)口車而言，不僅維修費(fèi)用高，而且等待維修的時間很長。像寶馬公司在國內(nèi)已經(jīng)建立了許多零部件配送中心。保障在24小時內(nèi)提供零部件，但大多數(shù)進(jìn)口車維修依然存在的諸多問題，尤其是零件供給問題，當(dāng)一些核心零部件出現(xiàn)問題之后，經(jīng)銷商仍需從廠家聘請專家，整體的維修成本價(jià)增高，最終維修成本會直接、間接轉(zhuǎn)嫁到消費(fèi)者身上。

4 汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)遇到的問題

3D打印技術(shù)與生產(chǎn)制造的關(guān)系是緊密相關(guān)的。在3D打印技術(shù)的應(yīng)用下，不僅為企業(yè)降低了生產(chǎn)成本，進(jìn)一步的提高了生產(chǎn)效益，在該項(xiàng)技術(shù)的支持下，生產(chǎn)過程更加簡單化。不僅簡化了生產(chǎn)流程，還降低各種人力，財(cái)力，物力等資源的投入。但是在實(shí)際的生產(chǎn)制造過程中，依然存在一系列的問題需要解決。

4.1 打印機(jī)的價(jià)格

雖然3D打印技術(shù)節(jié)約了人工成本問題，提高了企業(yè)的生產(chǎn)制造能力使生產(chǎn)更加智能化，簡單化。但是3D打印機(jī)價(jià)格相對而言比較昂貴，尤其是一些性能較好的打印機(jī)，它是一些中小企業(yè)無法負(fù)擔(dān)的。這也導(dǎo)致了這項(xiàng)技術(shù)無法面向全國拓展的重要原因之一。與此同時，在實(shí)際打印過程，打印機(jī)經(jīng)常需要對一些金屬和塑料陶瓷進(jìn)行打印。相對而言，材料本身的硬度較強(qiáng)，容易造成出口堵塞后續(xù)運(yùn)營維護(hù)的成本比較大。

4.2 勞動力以及技術(shù)性人才

近些年來勞動力資源是我國制造產(chǎn)業(yè)中不可或缺的一部分。隨著3D打印技術(shù)的應(yīng)用，雖然生產(chǎn)過程與其機(jī)械制造過程會逐漸走向信息化，智能化的時代。但一些單純體力型的勞動資源正在慢慢降低。傳統(tǒng)制造中對于流水線的生產(chǎn)大多數(shù)是依靠勞動力來實(shí)現(xiàn)的。很可能出現(xiàn)市場勞動力過剩的情況。但是在長期以來，我國普遍缺乏高技術(shù)人員，3D打印技術(shù)在器械制造的工藝環(huán)節(jié)以及工序方面雖然縮短了人力成本。但對于高技術(shù)型人才還是比較少。從而受到了一定的限制。

5 汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用分析

5.1 解決現(xiàn)階段的問題

未來的發(fā)展過程當(dāng)中，我們需要不斷的去研發(fā)，3D打印機(jī)的水平。達(dá)到降低其成本的愿望，使得中小型企業(yè)也能承擔(dān)打印機(jī)的價(jià)格。從而實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)技術(shù)全方位的普及及應(yīng)用。使汽車機(jī)械制造領(lǐng)域充分應(yīng)用3D打印技術(shù)，從而有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)械制造過程中所存在的弊端。使生產(chǎn)過程更加簡單化，提高生產(chǎn)效率，降低作業(yè)強(qiáng)度。在汽車零件制造過程中涉及到橡膠，鋼材，陶瓷等不同種的材料，因此在3D打印過程中應(yīng)該合理選擇打印材料，明確打印過程中存在的問題，采用三重噴射技術(shù)提高打印的準(zhǔn)確性，通過引入自動化開發(fā)流程，借助集成化工具實(shí)現(xiàn)專用化生產(chǎn)，完成整體的車載標(biāo)定工作，有效彌補(bǔ)人工的不足，實(shí)現(xiàn)由大到強(qiáng)的穩(wěn)步發(fā)展。滿足用戶的多樣化需求。

例如在打印剛性不透明材料時，一般干凈不透明材料包括檢查儀表和卡具，精密度較高，在實(shí)際打印過程中要合理調(diào)整參數(shù)，要根據(jù)明確材料的硬度，調(diào)節(jié)噴頭與X軸、Y軸、Z軸相對應(yīng)的關(guān)系。在打印專用材料時，應(yīng)該盡量使用生物相容性的材料進(jìn)行打印，借助輔助設(shè)備避免熱液體和氣流的影響，在打印過程中可以選擇聚丙烯材料，提高材料的熱穩(wěn)定性。實(shí)際打印過程中要借助CAD軟件，首先創(chuàng)建3D模型，通過自上而下的逐層打印，確保打印的準(zhǔn)確性

隨著現(xiàn)代技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，機(jī)械制造也逐漸走向了信息化，智能化的時代，在此階段我們更應(yīng)該儲備大量的高端技術(shù)人才，從而使得3D打印技術(shù)不斷的完善及發(fā)展。如今我國3D打印設(shè)備的科學(xué)水平在某種程度上已處于國際化先進(jìn)水平，然而在對控制機(jī)械制造的整體精度穩(wěn)定等層面上，距離國際尖端水平依然存在著差距，還需要提高。在此階段應(yīng)該做到精益求精的研發(fā)使得3D打印技術(shù)追上國際化的水平。同時也應(yīng)引進(jìn)大量的人才，做好人才儲備以及人才規(guī)劃，使人才不向外流出。從而形成一個良性的發(fā)展環(huán)節(jié)。

5.2 應(yīng)用前景

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢可以充分體現(xiàn)在定制零部件上，少量復(fù)雜先進(jìn)的車型，在進(jìn)行維修或更換零部件時，由于生產(chǎn)商較少，大多數(shù)是國外進(jìn)口，物流成本較多，一旦開模會造成一定的資源浪費(fèi)，提高整體的作業(yè)成本，導(dǎo)致零部件換件難的問題。如今對于機(jī)械制造行業(yè)，3D打印技術(shù)就是一個突破口。而在應(yīng)用3D打印技術(shù)之后，可以快速調(diào)取源文件，得到模型的3D數(shù)字模型，在明確基礎(chǔ)材料之后，直接進(jìn)行打印調(diào)取，有效控制成本，提高整體的維修效率，節(jié)省大量的時間成本以及材料成本，提高顧客的滿意度

例如，更換零部件是汽車維修行業(yè)中的基本手段，現(xiàn)在實(shí)際汽車生產(chǎn)制造中，對于一些非標(biāo)準(zhǔn)和非通用零件本身的備件較少，購買困難，等待周期長，在應(yīng)用3D打印技術(shù)后，可以快速讀取數(shù)字模型，3D打印機(jī)可以進(jìn)行實(shí)物掃描，借助紅外線快速建模，直接在CAD模型上讀取三維數(shù)字模型，適應(yīng)多元化的工作路徑，為軟件的靈活性提供了保障。根據(jù)量化的行為規(guī)范，全過程監(jiān)管，在規(guī)定時間內(nèi)通過機(jī)器的操作習(xí)慣，計(jì)算出最小單元的平均完成時間，實(shí)現(xiàn)多層次、立體化的數(shù)據(jù)管理。同時可以對參數(shù)進(jìn)行更，當(dāng)時維修人員能夠跟設(shè)計(jì)人員進(jìn)行交流，降低后續(xù)的維護(hù)成本，3D打印技術(shù)不僅結(jié)合了現(xiàn)在的實(shí)際情況。

5.3 汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用

5.3.1 數(shù)字設(shè)計(jì)建模

3D打印機(jī)的數(shù)據(jù)來源主要包括數(shù)據(jù)庫的原始模型、實(shí)物掃描兩種方法，在原始數(shù)據(jù)調(diào)用過程中各個參數(shù)較為準(zhǔn)確，一般適用于原有模型的構(gòu)建，可以在基礎(chǔ)上直接進(jìn)行參數(shù)修改、材料轉(zhuǎn)換。第二種則是對于實(shí)物進(jìn)行掃描，在實(shí)物掃描過程中可能出現(xiàn)細(xì)節(jié)問題，內(nèi)部結(jié)構(gòu)無法有效掃描，因此在使用時一般都是采取手工建模、實(shí)物掃描相配合的方式 利用特定的網(wǎng)絡(luò)形狀進(jìn)行等效的計(jì)算，減少工作步驟?？紤]零件的彈性系數(shù)，擬合建立等效方程，并采用系統(tǒng)方程求解的方法。保證汽車零部件機(jī)械制造設(shè)備能夠適應(yīng)不同的作業(yè)環(huán)境，通過快速更改參數(shù)實(shí)現(xiàn)，形成多樣化的管理模式。在算法設(shè)計(jì)過程中要基于AUTOSAR模擬數(shù)據(jù)信息，在實(shí)際軟件設(shè)計(jì)過程中，要快速收集離線仿真和實(shí)車裝載中的各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，對軟件信息進(jìn)行驗(yàn)證，并對此過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行修改與優(yōu)化。加強(qiáng)整體的仿真模擬導(dǎo)入控制算法與仿真模型，通過Vector CANalyzer實(shí)現(xiàn)有效的互交，分散不同工況中存在的風(fēng)險(xiǎn)。構(gòu)建不同狀況下駕駛平衡體系，以多重參數(shù)的動態(tài)化管理形式，輔以標(biāo)準(zhǔn)化的管理機(jī)制，保證駕駛員在正常行駛中的安全性、穩(wěn)定性。

例如，3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)過程中常用的商業(yè)設(shè)計(jì)軟件有通用性和行業(yè)性兩種汽車設(shè)計(jì)制造企業(yè)在汽車制造使用工業(yè)軟件也有不同。國內(nèi)的大多數(shù)都是以CAD使用的較多。2009年開始最早的一批3D打印相關(guān)專利錄取失效，給諸多企業(yè)接觸到3D打印的核心技術(shù)機(jī)會，給3D打印技術(shù)改進(jìn)和發(fā)展帶來巨大的動力，3D打印技術(shù)在汽車各個行業(yè)領(lǐng)域里占據(jù)了重要地位。

5.3.2 切片處理

所謂切片就是將3D數(shù)字模型離散化。沿一個軸的方向離散為一系列的二維層面，從而得到一系列的二維平面信息，使3D打印能以平面方式根據(jù)不同工藝要求有序連續(xù)加工出每個薄面。在借助計(jì)算機(jī)前臺控制系統(tǒng)對數(shù)字化模型進(jìn)行切片處理。如果數(shù)據(jù)分成出現(xiàn)問題，會直接影響打印的產(chǎn)品質(zhì)量。數(shù)字模型完成后，需要對模型進(jìn)行分層切片處理，使打印機(jī)按層工作。在打印過程中，要強(qiáng)化參數(shù)控制，形成技術(shù)閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的動態(tài)調(diào)整，完成全自動化的啟動、關(guān)閉，控制整體的生產(chǎn)流程，降低工作難度。在實(shí)際打印過程中要通過對主命令進(jìn)行分析，以啟動和停止兩種信號為核心內(nèi)容，儲存工作中的信號，將儲存后的數(shù)據(jù)傳遞的緩沖區(qū)，完成對汽車零部件機(jī)械制造設(shè)備單元工作狀態(tài)的調(diào)整和檢驗(yàn)。

例如，現(xiàn)在切片軟件的分層算法主要明確材料幾何特征分類的，合理配置分層算法。配置DTO陣列，啟動 DAQ-DTO 對應(yīng)的模式一秒刷新一次，能夠更好的觀測報(bào)文數(shù)據(jù)，顯示電機(jī)扭矩的變換趨勢。采用CVS進(jìn)行測試資源的配置管理。引入MaxQ和WebInject對B/S結(jié)構(gòu)的應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行功能測試，完成數(shù)據(jù)的整體管理，基于幾何信息提取的分層算法，建立分組矩陣。

5.3.3 工裝夾具的應(yīng)用

汽車在日常作業(yè)過程中面臨的工況，車面復(fù)雜的曲面構(gòu)成，整體的造型較為復(fù)雜。一般汽車的外板為薄板件，需要對曲面進(jìn)行定位。在曲面加工過程中作業(yè)時間較長，加工成本較高，一旦出現(xiàn)問題時無法更改，需要進(jìn)行返工處理。因此可以將3D打印技術(shù)應(yīng)用到工裝夾具與造型評審中，首先對于復(fù)雜曲面的微分化，先采用3D打印出臨時的工裝樣件，借助樣件進(jìn)行調(diào)試，待調(diào)試完成后再繼續(xù)生產(chǎn)，有效縮短了整體的調(diào)試時間，以SV61車型為代表進(jìn)行分析，基本的只需要進(jìn)行兩次更改，在實(shí)際調(diào)試之后可以安裝鋁合金，控制整體的鑄造成本。

6 汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的應(yīng)用建議

3D打印技術(shù)給汽車機(jī)械領(lǐng)域注入了新活力。為了更好的促進(jìn)3D打印技術(shù)應(yīng)用，改善傳統(tǒng)機(jī)械制造高消耗、低產(chǎn)值的問題，推動機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。應(yīng)鼓勵高校和相關(guān)企業(yè)持續(xù)進(jìn)行3D打印技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新，加大3D打印技術(shù)研發(fā)資金的投入。同時要積極培養(yǎng)人才。在人才培養(yǎng)過程中，要堅(jiān)持走出去和引進(jìn)來相結(jié)合的戰(zhàn)略。對內(nèi)要完善人才培養(yǎng)模式，其對于軟件工程師、3D打印是給予一定的資金扶持，對外要積極開展科研合作，密切關(guān)注高校的科研進(jìn)度。定期交流在生產(chǎn)制造中存在的問題，加強(qiáng)信息供共享。

3D打印機(jī)是一個包括光電，計(jì)算機(jī)，原材料，液壓等不同元件，共同組成的電子模塊。不僅包括三維電子模型，可以通過參數(shù)賦值的方式來設(shè)定模型的形狀和各個尺寸。3D打印技術(shù)在未來發(fā)展過程中有廣闊的空間。作為汽車生產(chǎn)制造企業(yè)應(yīng)該合理應(yīng)用3D打印技術(shù)，降低整體零部件生產(chǎn)制造成本，縮短零部件的生產(chǎn)制造周期，給予客戶更好的體驗(yàn)。作為政府要積極發(fā)揮自身的引導(dǎo)作用。推動產(chǎn)學(xué)研結(jié)合。高校要開設(shè)專業(yè)的3D打印課程和數(shù)字建模課程，創(chuàng)建實(shí)訓(xùn)基地和高新技術(shù)孵化項(xiàng)目，推動科研成果轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)3D技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)建3D共享平臺促進(jìn)信息的融合

7 結(jié)語

當(dāng)下是汽車機(jī)械制造領(lǐng)域中3D打印技術(shù)的發(fā)展的重要階段。本文從3D打印機(jī)在汽車機(jī)械制造領(lǐng)域強(qiáng)調(diào)重要性與必要性，同時分析了汽車在機(jī)械制造領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性、有效性，并提出了控制性技術(shù)應(yīng)用方案，在實(shí)際應(yīng)用過程中對方案進(jìn)行不斷的優(yōu)化，從此來發(fā)揮3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域中發(fā)揮最大的效用。

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