3D 打印在汽車零部件制造和維修領(lǐng)域的應(yīng)用

文／郭秋華，張承偉，金龍娥·中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司

隨著人們對(duì)汽車產(chǎn)品個(gè)性化、定制化需求的提高以及部分傳統(tǒng)復(fù)雜工藝零件制造和維修的時(shí)間長(zhǎng)，成本居高不下等難點(diǎn)，3D 打印技術(shù)越來(lái)越受車企、零部件和售后服務(wù)供應(yīng)商等的高度青睞。

眾所周知，汽車工業(yè)是一個(gè)典型的資本技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)，同時(shí)新車研發(fā)投入也是非常大的。因此車企、零部件和售后服務(wù)供應(yīng)商等積極探索新技術(shù)以求降低材料成本和提升效率。3D 打印技術(shù)遂開(kāi)始在汽車零件領(lǐng)域進(jìn)行探索與應(yīng)用，尤其是在汽車制造和維修方面已經(jīng)越來(lái)越成熟。

3D 打印技術(shù)有很多的優(yōu)勢(shì)，比如能夠打印制造復(fù)雜的產(chǎn)品、能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)模具無(wú)模塊化生產(chǎn)和能夠?qū)崿F(xiàn)高端化產(chǎn)品的訂制，這些都能夠降低成本和減少制造時(shí)間，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)。與傳統(tǒng)加工工藝相比，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品定制化、快速化、輕量化的3D 打印技術(shù)與汽車領(lǐng)域的結(jié)合必將產(chǎn)生新的火花。

本文將重點(diǎn)介紹3D 打印技術(shù)及其優(yōu)缺點(diǎn)，并就其如何在汽車制造和維修領(lǐng)域更好地應(yīng)用作出分析。

3D 打印技術(shù)

3D 打印技術(shù)的定義

3D 打印技術(shù)作為快速成形技術(shù)之一，又名增材制造技術(shù)。其原理：以三維CAD 模型為主(一般采用STL 格式)，使用粉末、絲狀或液態(tài)等材料，通過(guò)“分層制造、逐層疊加”的方式直接打印出三維實(shí)體。3D 打印技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為：數(shù)字設(shè)計(jì)建模、切片處理、打印成形技術(shù)(或逐層打印)、打印后處理，如圖1所示。

圖1 3D 打印技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3D 打印技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

3D 打印技術(shù)具有非常多的優(yōu)點(diǎn)，近些年越來(lái)越受車企、零部件和售后服務(wù)供應(yīng)商等的高度重視。

⑴降低零部件生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式屬于“減材加工”，比如車削加工、銑削加工、刨削加工和磨削加工等；而3D打印技術(shù)與之相反，屬于“增材加工”，提高材料利用率，從而能降低零部件生產(chǎn)成本以及增加零部件企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

⑵縮短研發(fā)周期。

采用3D 打印技術(shù)，無(wú)需模具制造、工具夾裝，可將概念模型的制作周期縮短至幾小時(shí)或幾天內(nèi)，提升車企和零部件服務(wù)商優(yōu)化效率，并快速推動(dòng)產(chǎn)品概念驗(yàn)證，擁有更快的研發(fā)速度。即有效縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

⑶簡(jiǎn)便生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品。

與鑄造、鍛造零件不同，3D 打印技術(shù)依托計(jì)算機(jī)工具構(gòu)建產(chǎn)品模型，通過(guò)打印技術(shù)直接獲取產(chǎn)品。

因此，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜繁瑣的產(chǎn)品零件借助具備高效率、個(gè)性化生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)的3D 打印技術(shù)，可直接進(jìn)行小批量的生產(chǎn)試制，使其工藝流程變得更簡(jiǎn)便。

⑷拓寬產(chǎn)品設(shè)計(jì)空間。

過(guò)去，基于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以及需要滿足大批量生產(chǎn)的要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的很多創(chuàng)新和設(shè)計(jì)思路很大程度上會(huì)被限制。而在3D 打印技術(shù)的加持下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)能夠更多元化也更便捷，設(shè)計(jì)創(chuàng)新程度更高，以前很多受限于生產(chǎn)工藝的設(shè)計(jì)或造型，變得更容易實(shí)現(xiàn)，從而拓寬了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)空間。比如，隨著3D 打印技術(shù)的發(fā)展，使得汽車產(chǎn)品的中空夾層設(shè)計(jì)、鏤空點(diǎn)陣設(shè)計(jì)、一體化結(jié)構(gòu)乃至空間異性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都成為可能，這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)汽車產(chǎn)品的輕量化，同時(shí)也提升了產(chǎn)品的美觀度甚至藝術(shù)性，從而更有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行減重降本。

3D 打印技術(shù)的缺點(diǎn)

與此同時(shí)，3D 打印技術(shù)也有一定缺點(diǎn)，亟需解決。

⑴3D 打印耗材價(jià)格高昂。

一方面適用于3D 打印的材料種類有限，另一方面3D 打印原材料供應(yīng)還不成規(guī)模，綜合造成3D 打印耗材價(jià)格高昂。比如金屬3D 打印中，常用的材料是鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉，其成本一般是普通金屬材料的10 倍之多。有數(shù)據(jù)表明，3D 打印產(chǎn)品中金屬粉末占總成本20%～30%，而傳統(tǒng)制造原材料占產(chǎn)品的5%～10%。

⑵3D 打印的產(chǎn)品精度不高。

3D 打印產(chǎn)品成形精度無(wú)法與傳統(tǒng)加工手段相媲美。3D 打印產(chǎn)品的精度主要取決于3D 打印機(jī)自身的精度、耗材類型以及分層厚度、噴嘴溫度和噴嘴直徑等工藝參數(shù)。比如對(duì)于分層厚度這種原理性誤差來(lái)說(shuō)，要完全消除是不可能的，只能通過(guò)設(shè)定較小的分層厚度來(lái)減小誤差，故3D 打印的構(gòu)件很難直接打印出高精度的零件表面。對(duì)于要求較高的零件表面或者裝配面，基本都需要進(jìn)一步的表面后處理。

⑶3D 打印速度較慢。

3D 打印技術(shù)的成形速度不會(huì)很快，尤其是打印超大產(chǎn)品的時(shí)候，這是因?yàn)?D 打印必須通過(guò)逐層堆積才能成形，而且分層厚度又不能太厚。因此，3D打印不適合規(guī)模化的大批量生產(chǎn)，只適用于小批量定制化生產(chǎn)。

⑷3D 打印的產(chǎn)品性能普遍較低。

3D 打印的產(chǎn)品在材料性能方面比傳統(tǒng)加工產(chǎn)品普遍都低，主要體現(xiàn)在剛度、硬度、強(qiáng)度、機(jī)械加工性能和化學(xué)性能等方面。

3D 打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域的應(yīng)用

3D 打印技術(shù)萌發(fā)于20 世紀(jì)90 年代中期，近十幾年以來(lái)才在汽車行業(yè)得以蓬勃發(fā)展。2011 年，第一輛名為Urbee 的3D 打印汽車誕生，如圖2 所示；2015 年，產(chǎn)自美國(guó)舊金山DM 公司的世界上第一輛3D 打印超級(jí)跑車“刀鋒”橫空出世，如圖3 所示；2018 年，XEV 公司設(shè)計(jì)的首款量產(chǎn)3D 打印電動(dòng)汽車YOYO 問(wèn)世，如圖4 所示。由此后，3D 打印技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)受到熱烈追捧，世界上越來(lái)越多的車企陸續(xù)發(fā)布自己的3D 打印概念汽車。

圖2 3D 打印汽車Urbee

圖3 3D 打印首款超級(jí)跑車“刀鋒”

圖4 3D 打印量產(chǎn)電動(dòng)汽車YOYO

3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，不僅在汽車設(shè)計(jì)階段降低了設(shè)計(jì)成本、提高了研發(fā)效率，而且在制造階段也有很多成功的應(yīng)用案例，比如3D 打印動(dòng)力總成、底盤零部件和汽車內(nèi)外飾等。3D 打印技術(shù)可在保證結(jié)構(gòu)部件的性能前提下，實(shí)現(xiàn)汽車零部件的集成設(shè)計(jì)和制造，為汽車零部件制造提供更多可能。因此，其在汽車的定制化、輕量化、電動(dòng)化和智能化方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是得到公認(rèn)的。

3D 打印動(dòng)力總成

汽車工程師借助3D 打印技術(shù)，可在產(chǎn)品的研發(fā)早期生產(chǎn)出汽車設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的功能性原型或概念模型，并能加快驗(yàn)證及優(yōu)化迭代流程。與傳統(tǒng)模式比較，3D 打印技術(shù)可極大地提升驗(yàn)證效率，減少設(shè)計(jì)驗(yàn)證時(shí)間，并使設(shè)計(jì)錯(cuò)誤成本最小化。蘭博基尼作為著名歐洲跑車制造商，曾利用3D 打印打造了跑車發(fā)動(dòng)機(jī)引擎管道，復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)在極短的周期內(nèi)完成了創(chuàng)建。2020 年保時(shí)捷依托3D 打印技術(shù)制造了第一個(gè)完整的電動(dòng)動(dòng)力總成殼體，使其更輕、更牢固、更緊湊，如圖5 所示。使用激光熔融工藝生產(chǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)與變速箱部件順利地通過(guò)了質(zhì)量和壓力測(cè)試，證明該技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)消費(fèi)類產(chǎn)品是具備可安裝性和替代性的。

3D 打印底盤部件

德國(guó)大眾布加迪在2017 年采用3D 打印技術(shù)制造的鈦合金制動(dòng)鉗(圖6)，通過(guò)了強(qiáng)度測(cè)試，在整個(gè)卡鉗的重量?jī)H為2.9kg 的同時(shí)，呈現(xiàn)了每毫米承受125kg 高壓的優(yōu)異性能，具有強(qiáng)度大重量又輕的優(yōu)點(diǎn)。這種鈦合金材料卡鉗的成功制造案例在汽車零部件領(lǐng)域的3D 打印應(yīng)用史上具有里程碑的意義。

圖6 布加迪3D 打印鈦合金制動(dòng)鉗

3D 打印汽車內(nèi)飾

通用汽車?yán)肁utodesk 技術(shù)于2018 年開(kāi)發(fā)的3D打印不銹鋼座椅，支架強(qiáng)度增加了20%，而重量減輕了40%，并且將原有的8 個(gè)零件集成簡(jiǎn)化為1 個(gè)零件。2020 年，保時(shí)捷為旗下跑車設(shè)計(jì)了3D 打印的座椅，這種新型的“3D 打印汽車全桶式座椅”，如圖7 所示，其基礎(chǔ)支撐采用夾層結(jié)構(gòu)，在外觀造型、布局及重量方面和賽車座椅相似；相比以往的座椅，提供了更強(qiáng)的支撐剛性和包裹性，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更獨(dú)特，重量也更輕，實(shí)際的駕乘體驗(yàn)更優(yōu)異。

圖7 保時(shí)捷3D 打印汽車座椅

3D 打印汽車外飾

3D 打印技術(shù)在汽車外飾的設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造領(lǐng)域，同樣具有降低生產(chǎn)成本、簡(jiǎn)化生產(chǎn)工序、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢(shì)，較成熟的應(yīng)用包括汽車燈具、擋泥板、汽車車標(biāo)和前后保險(xiǎn)杠等汽車外飾件。以某車型汽車大燈(圖8)為例，通過(guò)選用光敏樹(shù)脂材料3D 打印技術(shù)Polyjet進(jìn)行打印實(shí)踐，從實(shí)踐驗(yàn)證角度出發(fā)驗(yàn)證了：一體化成形的3D 打印優(yōu)于傳統(tǒng)模型制作。燈具模型的3D 打印，主要解決了傳統(tǒng)模型制作的工序繁瑣、招工難等問(wèn)題，但同時(shí)存在螺紋連接強(qiáng)度低、模型耐高低溫性能差等痛點(diǎn)。

圖8 某車型3D 打印汽車大燈

3D 打印技術(shù)在汽車維修領(lǐng)域的應(yīng)用

由于3D 打印技術(shù)能夠很好地滿足汽車用戶的個(gè)性定制化需求，在汽車維修領(lǐng)域也得到了廣泛應(yīng)用，比如限量版或絕版零部件的定制和修復(fù)、汽車維修過(guò)程中要使用的“特殊”工具。很多基礎(chǔ)部件或工具，比如汽車大燈、汽車座椅、車輪輪轂、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、制動(dòng)卡鉗、發(fā)動(dòng)機(jī)引擎管道、變速器和維修用工具等都能采用3D 打印技術(shù)進(jìn)行快速制作，從而保證售后服務(wù)供應(yīng)商的維修效率和經(jīng)濟(jì)效益。

3D 打印維修零件

一方面汽車種類繁多，涉及的汽車零部件更是不計(jì)其數(shù)；另一方面，限量版車型或高端車型的零部件庫(kù)存極少，甚至還有絕版零件，這些對(duì)汽車售后服務(wù)商來(lái)說(shuō)是極具挑戰(zhàn)的，而3D 打印技術(shù)能夠定制零部件正好解決這個(gè)問(wèn)題。例如通過(guò)3D 打印技術(shù)對(duì)著名經(jīng)典車型大眾甲殼蟲(chóng)(Volkswagen Beetle)，如圖9 所示1960 款的很多絕版零件進(jìn)行復(fù)刻，為滿足多樣化、稀缺化車型的零部件缺失的補(bǔ)件及維修提供重要保障，同時(shí)能夠顯著降低購(gòu)買此類零部件的費(fèi)用以及縮短維修時(shí)間，避免汽車行業(yè)的“壟斷”現(xiàn)象。

圖9 1960 款大眾甲殼蟲(chóng)

3D 打印汽車維修工具

在汽車維修領(lǐng)域，3D 打印技術(shù)除了在打印維修零部件方面發(fā)揮重要作用，在打印汽車維修工具方面同樣具有商業(yè)價(jià)值。針對(duì)易損耗工具、價(jià)格昂貴但使用頻次低又必須的工具和需要定制的維修工具，汽車售后服務(wù)商利用3D 打印技術(shù)不需要大量囤積購(gòu)買，就可避免無(wú)“合適”工具可用的情況，能夠有效降低維修成本以及縮短維修工期。比如基于FDM 的3D 打印技術(shù)打印的扳手，如圖10 所示。

圖10 基于3D 打印的扳手

結(jié)語(yǔ)

3D 打印技術(shù)在汽車制造業(yè)與維修行業(yè)的應(yīng)用，為該行業(yè)發(fā)展帶來(lái)了巨大的積極影響，并對(duì)整個(gè)汽車行業(yè)的發(fā)展進(jìn)行了強(qiáng)有力的推動(dòng)。因此，未來(lái)應(yīng)用在汽車零部件制造與維修領(lǐng)域中最為理想的加工工藝，3D 打印技術(shù)必將位列其中，并終將廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)等其他領(lǐng)域的方方面面。