3D打印技術(shù)在汽車內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用路徑研究

摘 要：近年來，3D打印技術(shù)作為一種新興的制造技術(shù)，以其獨(dú)特的制造方式和諸多優(yōu)勢，逐漸在汽車內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。它不僅可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的快速制造，還能有效降低生產(chǎn)成本、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，為傳統(tǒng)與汽車內(nèi)燃機(jī)及配件的相關(guān)制造業(yè)帶來了新的發(fā)展機(jī)遇。然而，盡管3D打印技術(shù)帶來了諸多機(jī)遇，其在汽車內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，例如材料種類和性能的限制、設(shè)備成本高昂、質(zhì)量控制難度大等問題。因此，文章深入分析3D打印技術(shù)在汽車內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用路徑，對于推動(dòng)3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用、促進(jìn)汽車內(nèi)燃機(jī)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和創(chuàng)新發(fā)展具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù) 汽車內(nèi)燃機(jī) 應(yīng)用路徑 生產(chǎn)效率

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 基本原理

3D打印技術(shù)，又稱增材制造技術(shù)，是一種基于離散-堆積原理的制造工藝。通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）模型，將三維物體分解為一系列二維層面，然后按照這些層面逐層堆積材料[1]，最終形成所需的三維實(shí)體，具體流程如圖1所示。與傳統(tǒng)的減材制造技術(shù)相比，3D打印技術(shù)無需復(fù)雜的模具和機(jī)械加工，能夠直接從數(shù)字模型制造出實(shí)體零件，大大提高了生產(chǎn)效率和設(shè)計(jì)自由度[2]。

1.2 主要四種類型

1.2.1 熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型（FDM）是最早商業(yè)化的3D打印技術(shù)之一，其工作原理是將絲狀材料（如PLA、ABS等熱塑性塑料）通過加熱裝置熔化后，由噴嘴擠出并在構(gòu)建平臺(tái)上逐層堆積成型。FDM技術(shù)具有成本較低、操作簡單、材料種類豐富等優(yōu)點(diǎn)，適用于快速原型制作和一些非精密零件的制造。FDM技術(shù)的材料利用率較高，可以通過計(jì)算材料利用率來評估其經(jīng)濟(jì)性。材料利用率定義為實(shí)際使用材料重量與總材料重量的比值，如式（1）所示，F(xiàn)DM技術(shù)的材料利用率可達(dá)70%以上。

1.2.2 光固化立體成型（SLA）

光固化立體成型（SLA）利用紫外光照射液態(tài)光敏樹脂，使其逐層固化成型。該技術(shù)具有較高的精度和表面質(zhì)量，適合制造復(fù)雜形狀和高精度要求的零件。SLA打印的零件表面質(zhì)量是其重要優(yōu)勢之一，表面粗糙度（Ra）是衡量表面質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，SLA打印的零件表面粗糙度可低至1.6μm，其計(jì)算公式如式（2）所示：

1.2.3 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

選擇性激光燒結(jié)（SLS）使用激光束選擇性地?zé)Y(jié)粉末材料（如塑料、金屬、陶瓷等），逐層構(gòu)建零件。它可以處理多種材料，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車等高端制造領(lǐng)域[3]。SLS技術(shù)的優(yōu)勢在于能夠制造出具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和高強(qiáng)度的零件，且無需支撐結(jié)構(gòu)，減少了材料浪費(fèi)。SLS技術(shù)制造的零件強(qiáng)度是其重要性能指標(biāo)。零件強(qiáng)度可以通過最大拉力與橫截面積的比值來計(jì)算，SLS制造的金屬零件強(qiáng)度可達(dá)500MPa，計(jì)算公式如式（3）所示：

2 3D打印技術(shù)在汽車內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 生產(chǎn)零部件制造

2.1.1 復(fù)雜零部件的直接制造

傳統(tǒng)制造工藝在生產(chǎn)復(fù)雜形狀的汽車內(nèi)燃機(jī)配件時(shí)，往往需要復(fù)雜的加工設(shè)備和工藝流程，成本高昂且生產(chǎn)周期長[4]。而3D打印技術(shù)可以直接從數(shù)字模型制造出復(fù)雜形狀的零部件，無需復(fù)雜的模具和機(jī)械加工[5]。傳統(tǒng)制造方式中，復(fù)雜零部件的生產(chǎn)成本主要由模具成本和加工成本組成。3D打印技術(shù)無需模具，直接從數(shù)字模型制造零件，因此可以大幅降低模具成本。假設(shè)傳統(tǒng)制造方式的模具成本為C模具，加工成本為C加工，3D打印的材料成本為C材料，則總成本分別為：

傳統(tǒng)制造總成本=C模具+C加工?

3D打印總成本=C材料?

通過對比可以看出，3D打印技術(shù)在制造復(fù)雜零部件時(shí)具有顯著的成本優(yōu)勢。

2.1.2 小批量零部件的快速生產(chǎn)

傳統(tǒng)制造方式在小批量生產(chǎn)時(shí)，由于需要開模和調(diào)整設(shè)備，導(dǎo)致生產(chǎn)成本較高。而3D打印技術(shù)可以根據(jù)需求快速打印出所需數(shù)量的零部件，大大降低了小批量生產(chǎn)的成本[6]。3D打印技術(shù)在小批量生產(chǎn)中的效率優(yōu)勢可以通過生產(chǎn)周期來衡量，生產(chǎn)效率提升可以通過式（4）進(jìn)行計(jì)算。

2.1.3 配件制造與維護(hù)

3D打印技術(shù)在配件制造中的優(yōu)勢可以通過減少設(shè)備停機(jī)時(shí)間來體現(xiàn)。假設(shè)傳統(tǒng)制造方式的配件生產(chǎn)周期為T傳統(tǒng)，3D打印的配件生產(chǎn)周期為T3D打印，則設(shè)備停機(jī)時(shí)間的減少可以通過式（5）進(jìn)行計(jì)算。

2.2 模具制造

2.2.1 快速制造復(fù)雜模具

傳統(tǒng)模具制造方法在制造復(fù)雜形狀的模具時(shí)，往往需要耗費(fèi)大量時(shí)間和成本。3D打印技術(shù)可以快速制造出復(fù)雜形狀的模具，提高模具制造效率。例如，在注塑成型中，3D打印的模具可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的冷卻通道設(shè)計(jì)，提高注塑件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

2.2.2 定制化模具制造

3D打印技術(shù)可以根據(jù)不同的產(chǎn)品需求，快速制造出定制化的模具。這對于一些小批量、多品種的產(chǎn)品生產(chǎn)具有重要意義，可以降低模具制造成本，提高生產(chǎn)靈活性。

2.3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.3.1 快速原型制作

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，3D打印技術(shù)可以快速將設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)物原型，幫助設(shè)計(jì)師和工程師及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題并進(jìn)行優(yōu)化。這大幅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

2.3.2 產(chǎn)品創(chuàng)新與優(yōu)化

3D打印技術(shù)為產(chǎn)品創(chuàng)新提供了更大的空間。設(shè)計(jì)師可以利用3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能集成的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的性能和競爭力。

3 3D打印技術(shù)在汽車內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 有利于提高生產(chǎn)效率

3D打印能夠快速將設(shè)計(jì)概念轉(zhuǎn)化為實(shí)物，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，使企業(yè)能迅速響應(yīng)市場變化并調(diào)整生產(chǎn)計(jì)劃。同時(shí)，它可一次性完成復(fù)雜零部件的制造，減少傳統(tǒng)制造所需的多道工序和設(shè)備占用，進(jìn)一步提升生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)制造與3D打印生產(chǎn)效率對比如表1所示。

3.2 有利于降低成本

3D打印采用逐層添加材料的方式，相比傳統(tǒng)制造的切削加工等減材制造方法，材料利用率更高，浪費(fèi)更少，從而降低材料成本。此外，在傳統(tǒng)制造中，模具的制造和維護(hù)成本較高，尤其是小批量和定制化生產(chǎn)時(shí)。而3D打印無需模具，可直接制造零部件，有效降低模具成本。

3.3 有利于增強(qiáng)產(chǎn)品定制化能力

隨著消費(fèi)者對個(gè)性化產(chǎn)品需求的增長，3D打印技術(shù)能夠根據(jù)每個(gè)客戶的特定需求，快速制造獨(dú)一無二的產(chǎn)品，滿足市場對多樣化產(chǎn)品的需求。并且，允許設(shè)計(jì)師在不增加額外成本的情況下，靈活地對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，輕松實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的定制化制造。

3.4 有利于提升產(chǎn)品質(zhì)量

3D打印技術(shù)可以精確制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)，提高零部件的質(zhì)量和性能，如在航空航天領(lǐng)域所需的汽車內(nèi)燃機(jī)配件，通過3D打印制造的零部件具有更高的強(qiáng)度和輕量化特性，有助于提升飛行器性能。此外，3D打印能夠制造一體化的復(fù)雜零部件，減少傳統(tǒng)制造中多個(gè)零件裝配帶來的誤差，從而提高產(chǎn)品的整體質(zhì)量。3D打印與傳統(tǒng)制造質(zhì)量對比如表2所示。

4 推動(dòng)3D打印技術(shù)在汽車內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用的策略

4.1 加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)

首先，目前3D打印材料在種類和性能上仍有限制，加大研發(fā)投入，開發(fā)更多種類、更高性能的材料，將滿足不同行業(yè)對材料的特殊需求，拓展3D打印技術(shù)的應(yīng)用范圍。其次，提高設(shè)備性能也是技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。3D打印機(jī)的打印速度和精度直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.2 完善標(biāo)準(zhǔn)體系

在材料標(biāo)準(zhǔn)方面，建立統(tǒng)一的3D打印材料標(biāo)準(zhǔn)，明確材料的性能指標(biāo)、測試方法等，能夠確保材料的質(zhì)量和穩(wěn)定性，為生產(chǎn)企業(yè)提供可靠的原材料保障。在設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)方面，3D打印機(jī)的性能和安全性直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的安全和產(chǎn)品質(zhì)量。制定3D打印機(jī)的性能標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范設(shè)備的生產(chǎn)和使用，能夠提高設(shè)備的可靠性和安全性。

4.3 加大人才培養(yǎng)力度

高校可以加強(qiáng)與企業(yè)的合作，了解行業(yè)對人才的需求和技能要求，將實(shí)際生產(chǎn)案例和項(xiàng)目引入教學(xué)過程，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和解決實(shí)際問題的能力。在校企合作方面，高校與企業(yè)之間的緊密合作是培養(yǎng)優(yōu)秀3D打印技術(shù)人才的有效途徑。

4.4 促進(jìn)產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展

建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟是促進(jìn)協(xié)同發(fā)展的重要舉措之一。由行業(yè)協(xié)會(huì)或龍頭企業(yè)牽頭，詳細(xì)調(diào)研當(dāng)今汽車內(nèi)燃機(jī)市場所需，聯(lián)合3D打印設(shè)備制造商、材料供應(yīng)商、零部件制造商、終端用戶等各方力量，共同建立產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟。通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，企業(yè)之間可以加強(qiáng)合作與交流，共同開展技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)制定、市場推廣等活動(dòng)，形成產(chǎn)業(yè)發(fā)展的合力。

5 結(jié)論與展望

3D打印技術(shù)作為一種具有革命性的制造技術(shù)，在汽車內(nèi)燃機(jī)及其配件的制造、設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。通過在生產(chǎn)零部件制造、模具制造、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)等領(lǐng)域的應(yīng)用，3D打印技術(shù)能夠提高生產(chǎn)效率、降低成本、增強(qiáng)產(chǎn)品定制化能力，為汽車內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)，加工及維護(hù)帶來諸多優(yōu)勢。

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