3D打印技術在汽車造型設計中的應用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西柳州 545007）

3D打印技術在汽車造型設計中的應用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心 廣西柳州 545007）

本文簡述了3D打印技術的原理與特點，并對3D打印技術在汽車造型設計中的應用進行了論述，指出該技術是汽車造型設計部門提升汽車造型設計質量、縮短開發周期的一種有效手段。

3D打印技術；汽車造型；應用

前言

隨著3D打印技術的廣泛應用，產品造型設計開始更具創新性，打破了原來單純的幾何形狀，越來越多的精美造型出現在人們生活中，賦予我們生活空間新的活力。與傳統機器和手工制造相比，3D打印技術突破了諸多造型、設備和材料的限制，使其制造的產品更加接近設計的本來要求，即使是外觀再復雜的產品都能通過3D打印技術進行制造，并能保證與原設計的渾然一體。近幾年，3D打印技術在汽車造型設計中，具有越來越廣泛的應用前景，賦予了類似汽車造型設計新的活力。

1 3D打印技術的原理及特點

1.1 基本原理

從原理上說，3D打印是快速成型技術的一種，又稱“增材制造技術”，是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，由計算機控制，通過逐層打印的方式來構造物體的技術，它通過若干層材料的堆疊達到立體效果。

1.2 基本類型

根據成型工藝的不同，3D打印技術大體可分為七種基本類型，分別為：光固化成型SLA、熔融層積成型FDM、三維粉末粘接3DP、聚合物噴射Polyjet、選擇性激光燒結SLS、選擇性熔化成型SLM、分層實體成型LOM。每種類型都有其優缺點，如：SLA成型速度快、成型精度高，但設備購置費用高，耗材、維護成本也高；而FDM成型材料種類多、強度高、尺寸也大，但成型時間較長、精度不高。因此，在具體的產品制造時，應根據要求具體分析，選擇最佳的成型工藝。

1.3 主要特點

（1）技術集成度高，縮短產品的開發周期。3D打印技術的應用使得設計與制造融為一體，設計方案能很快變成實物樣品，以便快速驗證、定型并得到用戶的確認。不需專門的工裝夾具和模具，所需時間比傳統設計方法大大縮短。

（2）制造柔性高，能對設計進行反復修改、核實和優化。傳統制造方法制作樣件的周期長、費用高，還需要耗費較多的時間進行反復修改和驗證。用3D打印技術只需改CAD數據，就可制造不同形狀的零件模型，可在短時間內進行多次設計迭代、驗證，可以得到相當完美的設計。

（3）可視化程度高，將創意設計變成三維實物，使其可視化，成功地解決了CAD三維造型“看得見、摸不著”的問題。3D打印技術免除了人們對復雜圖紙和三維數據的閱讀理解過程，能夠形象、直觀地觀察到所設計物體的真實形狀，特別是復雜、精細的產品，已經可以實現在0.01mm的厚度上單層600dpi的分辨率。

2 3D打印技術在汽車行業應用情況

目前，3D打印技術在汽車行業有較廣泛的應用。2013年，美國的設計公司KOR Ecologic、數字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作，完成了第一款用3D打印制造的混合動力車Urbee2，如圖1所示。該車除了底盤、動力系統和電子設備等，超過50%的部件都是由ABS塑料通過FDM設備打印而來的。扁平的造型使其風阻系數低達0.15，重量僅為 550kg。

然而需要指出的是，當前3D打印設備的成型尺寸有限且耗材成本高，大尺寸產品及零部件的一體化打印仍無法實現。當零部件尺寸大于設備成型尺寸時，需要對零部件數據進行合理拆分，以最經濟的方式打印，完成后仍需進行手工拼接，這些要耗費大量時間，如上述Urbee2零部件打印耗時高達2500h。這說明著，3D打印技術無法在短期內取代傳統生產工藝，進行產品及零部件的大批量生產。就現階段而言，3D打印技術適用于汽車造型設計領域和汽車研發階段，及單件小批量試驗件生產，例如汽車油泥模型開發，車身、內外飾、底盤零部件開發等。目前SLA、FDM及SLS等已有具體應用，如表1所示。

圖1 Urbee2混合動力車

表1 3D打印技術應在汽車開發各階段應用

3 3D打印技術應用實例

當前汽車造型設計的特點就是造型創意多變、開發周期短。為了滿足不同的創意需求，就需要不斷地改型。雖然目前計算機虛擬現實技術在不斷完善，可以完成多角度、多材質的三維仿真展示，供評審人員、設計人員現場評估，確定設計方向。但數字虛擬模型與實體模型仍存在一定的視覺偏差，在確定關鍵設計方案時，仍需要做出實物來驗證其外觀形體、質感、結構等。對于形狀、結構十分復雜的零件，可以利用3D打印技術制作出來，以驗證設計人員的設計思想，并利用這些樣件做一些功能性和裝配性檢驗。以下以最常見的SLA和FDM為例，介紹3D打印技術具體應用情況。

3.1 SLA應用

SLA的特點之一是制作精度高，可以制作精度達到±0.10mm的樣件，并且與零部件的復雜程度無關。其次，SLA的成型能力強，對細小的結構、安裝點和裝飾線均能成型。后處理效果逼真，這主要是因為光敏樹脂硬度不高，易于打磨、修飾，并且制件本身的表面光潔度較好。可制作汽車前后大燈的前罩和后蓋、空調出風口、儀表控制面板等。由于材料的強度比ABS略差，不耐高溫，因此不適合做受力、受熱的功能測試零件，不能制作電鍍件。在實際應用時，可用透明材料直接成型汽車大燈前罩、透鏡等，通過打磨拋光、噴涂罩光漆，實現晶瑩剔透的效果。

3.2 FDM應用

FDM在成型時使用兩種材料：①成型材料；②支撐材料。樣件內部可以使用網格結構來節省材料，加快成型速度，由于成型過程中使用水溶性支撐材料，去除方便。成型材料多樣化，有ABS、PC、PP等。成型材料強度高，能夠直接用于裝配驗證和功能測試。汽車造型開發中運用廣泛，用于造型和結構驗證。

大型FDM設備成型尺寸較大，可以制作接近1m×1m×0.6m的零件，因此可以直接制造方向盤、輪輞、前后組合大燈燈杯等樣件。在超過尺寸出范圍時，往往通過拼接方式實現。如車門裝飾板、前后保險杠模型樣件制作，則需要先將零件在數據上分解為3～4個部分，分別成型，在后期進行拼接。由于FDM成型材料ABS具有耐高溫、強度性能優良的特性，樣件在拋光后進行電鍍、水轉印等后處理工藝，效果與量產零件效果接近。如：如汽車中控裝飾板、尾門拉手、商標牌等。

在實際的汽車模型制作過程中，汽車造型設計人員不僅僅應用上述SLA和FMD兩種工藝來制作模型樣件，Polyjet、SLS等也會綜合應用其中。但是，3D打印技術仍受成型尺寸的限制，此時則需要傳統CNC加工的介入，才能順利完成全尺寸模型樣車的制作。

3.3 D打印與CNC加工結合

3D打印與CNC加工，兩者各有各的優勢，CNC的加工尺寸遠大于3D打印，而3D打印能夠制造的零件復雜程度要遠高于CNC。在汽車造型設計的模型制作階段，通常是采用以CNC加工模型主體、3D打印制作精細件的方式進行整車模型制作。圖2分別為汽車外飾模型和內飾模型，其主體均采用油泥或聚氨酯代木，通過CNC加工而成，精細樣件則可使用3D打印技術。

圖2 3D打印技術在汽車模型中常見應用范圍

最后需要說明的是，上述精細樣件依然可以通過傳統CNC精細加工后拼接得到，出于時間和成本考慮，目前業內主流的汽車模型制作公司仍優先采用傳統加工方式，以求更高的效益。可見，3D打印技術是傳統加工方式的一種重要補充，短時期內仍無法取代傳統制造工藝，但3D打印和CNC結合仍不失為一種非常好的形式。

4 結論

3D打印技術的優勢在于不受零部件幾何形狀的限制，快速制造出常規加工技術加工困難或無法實現的復雜幾何形狀零件的模型。它能幫助汽車造型設計人員快速實現設計方案并尋找出原設計方案的不足或疏漏之處，及時修改使之完善，減少反復修改的時間，從而改變了汽車造型設計的工作方式。

在汽車造型設計過程中，設計人員需要切合實際，采用多種制造工藝結合的方式，3D打印技術結合CNC加工技術，同時加工小型精細零件和大型簡單零件，發揮各種工藝、設備的優勢。只有揚長補短，才能使整個造型設計過程形象化，最大限度地縮短汽車造型開發周期，拓展汽車造型設計的創意空間。

[1]王宇，張雷.運用3D打印技術下的交通工具設計機會研究[J].工業設計，2015（06）.

[2]趙婧.3D打印技術在汽車設計中的應用研究與前景展望[D].太原理工大學，2014，06.

[3]王 強，王守權，齊曉杰，王佳偉，劉志松.汽車零部件3D快速成型技術[J].交通科技與經濟，2014（06）.

TP391.73

A

1004-7344（2016）14-0277-02

2016-5-3

鐘偉民（1982-），男，漢族，廣西南寧人，工程師，碩士，主要從事汽車油泥模型開發、3D打印技術在汽車造型開發中的應用研究工作。