3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用

沈衛(wèi)東 林芳

（上海大眾汽車有限公司）

近年來，中國乘用車市場銷量逐年遞增，各大汽車廠商為搶占市場份額，也紛紛加快了新車型的研發(fā)和上市，而如何能夠借助可靠的技術(shù)手段，加快新車型的研發(fā)進程也成為各汽車廠商的共同課題。3D打印的發(fā)展給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了巨大的沖擊，汽車行業(yè)作為一個大眾產(chǎn)業(yè)，已然經(jīng)歷過3D打印技術(shù)的洗禮，已經(jīng)悄悄發(fā)生了變革。3D打印可以方便快捷地制作高精度、造型復(fù)雜的汽車零件，降低研發(fā)成本，提高效率，為消費者帶來更高品質(zhì)的汽車產(chǎn)品，同時價格也將更實惠。

1 3D打印技術(shù)在新車型研發(fā)中的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬或塑料可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。與普通打印機相比，3D打印機的“墨水”為原材料，通過若干層材料的堆疊達到立體效果。

1.2 3D打印技術(shù)優(yōu)勢

有人將3D打印稱為“第三次工業(yè)革命”。確實，3D打印技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域引領(lǐng)變革。在傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域，汽車零部件的開發(fā)往往需要長時間的研發(fā)、測試。從研發(fā)到測試階段還需要制作零件模具，不僅時間長，而且成本高。當存在問題時，修正零件也需要同樣漫長的周期。而3D打印技術(shù)以其高度柔性、快速性、材料廣泛及高適應(yīng)性等性能特點能夠快速制作造型復(fù)雜的零部件，當出現(xiàn)問題時，通過修改3D數(shù)據(jù)文件重新打印即可再次測試。可以說，3D打印技術(shù)讓未來零部件開發(fā)成本更低，效率更高。

1.3 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用包括：1）整車造型；2）設(shè)計驗證、性能測試手工樣件；3）制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件；4）多材料復(fù)合零件；5）輕量化結(jié)構(gòu)零件；6）輔助檢具和夾具。

2 各類快速成型技術(shù)和對比

目前常用的快速成型技術(shù)主要有：SLA，SLS，F(xiàn)DM，3DP，PUG等，各種技術(shù)由于其不同的工作原理，以及采用的材料不同，使得成型零件在表面質(zhì)量、零件強度、制造周期及零件成本等方面有著一定差異。

2.1 SLA（Stereo Lithography Apparatus，光敏樹脂選擇性固化）

2.1.1 工作原理

設(shè)備由液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計算機數(shù)控系統(tǒng)組成?；谝簯B(tài)光敏樹脂的光聚合原理，液態(tài)材料在一定波長和強度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。

首先在設(shè)備儲液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，激光器發(fā)出的紫外光束在控制系統(tǒng)的操控下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進行逐點掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個薄層面。在一層固化完成后，工作臺下移一個層厚的距離，這時液態(tài)樹脂會在剛剛固化好的樣件表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，隨后刮板會將黏度較大的樹脂液面刮平，此時設(shè)備會進行下一層的掃描加工，新固化的一層可以牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個零件制造完畢，獲得一個實體樣件。SLA工作原理，如圖1所示。

2.1.2 SLA的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）成型過程自動化程度高；2）尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達到±0.1 mm；3）表面質(zhì)量優(yōu)良；4）系統(tǒng)分辨率較高，可以制作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型或零件。

缺點：1）零件較易彎曲和變形，需要支撐；2）設(shè)備運轉(zhuǎn)及維護成本較高；3）可使用的材料種類較少；4）液態(tài)樹脂有味和毒性，需要避光保護；5）液態(tài)樹脂固化后的零件較脆、易斷裂。

2.2 SLS/SLM（Selective Laser Sintering/Melting，粉末材料選擇性激光燒結(jié)/熔化）

2.2.1 工作原理

利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計算機控制下，層層堆積成型。

粉末燒結(jié)的成型過程，如圖2所示。首先采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在底層或已成型零件的上表面，并加熱至略低于粉末燒結(jié)點的溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照零件的分層信息在粉層上掃描，使粉末升溫熔化進行燒結(jié)，當一層截面燒結(jié)完后，工作臺下降一個層厚，鋪料輥再鋪上一層均勻粉末，進行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個樣件[1]147。

2.2.2 SLS的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）可直接制作金屬制件（獨有）；2）材料選擇廣泛；3）可制造復(fù)雜構(gòu)件或模具；4）不需要增加基座支撐；5）材料利用率高。

缺點：1）樣件表面粗糙，呈現(xiàn)顆粒狀；2）加工過程會產(chǎn)生有害氣體。

2.3 FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積技術(shù)）

2.3.1 工作原理

熱塑性絲狀材料加熱熔化，沿零件截面輪廓和填充軌跡擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)成型。熔融沉積成型過程，如圖3所示。絲狀的熱熔性材料通過主動輥及導(dǎo)向套進入噴頭，加熱噴頭對其加熱熔化，通過一個微細噴嘴擠噴出來。擠出的材料隨即與前一層固化面融結(jié)在一起，噴頭可沿X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。按照數(shù)據(jù)的分層信息進行成型，在一個層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個層的厚度，再繼續(xù)新一層熔融沉積，直到完成整個樣件。需要說明的是：為保證成型的穩(wěn)定性，F(xiàn)DM設(shè)備的成型室是恒溫（加熱噴頭的溫度在220℃左右，成型室溫度在70℃左右）[1]125。

2.3.2 FDM的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）整個系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護成本低，系統(tǒng)運行安全?？梢允褂脽o毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用；2）工藝干凈、簡單，易于操作且不產(chǎn)生垃圾；3）獨有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件；4）原材料以材料卷的形式提供，易于搬運和快速更換；5）可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料，如：ABS，PC，PPSF以及醫(yī)用ABS等。

缺點：1）成型精度相對SLA工藝較低，精度0.178 mm；2）成型表面光潔度不如SLA工藝；3）成型速度相對較慢。

2.4 3DP（Three Dimension Printing，噴射打印技術(shù)）

2.4.1 工作原理

3D打印材料以超薄層被噴射到構(gòu)建托盤上，用紫外線固化，并且可以同時噴射2種不同機械特性的材料。支持多種材料同時打印的3D打印系統(tǒng)，擁有獨特的技術(shù)，可以在單個建造工作中打印具有不同機械和物理特性材料組成的零部件，動態(tài)制作復(fù)合材料，并簡化了模擬，在新產(chǎn)品研發(fā)的初期便可以得到更接近于最終產(chǎn)品的模型[1]161。3D打印工作原理，如圖4所示。

2.4.2 3DP的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）同時制作2種及以上材料組合件；2）皮革紋理清晰，尤其適合內(nèi)飾件試制（方向盤、扶手、排擋等）；3）密封條、密封圈試制；4）一次性制作復(fù)雜分總成零件；5）更細致表現(xiàn)細節(jié)；6）內(nèi)外飾小模型制作。

缺點：材料強度受限制。

2.5 PUG（Poly-Urethan-Guss，真空注型技術(shù)）

2.5.1 工作原理

真空注型技術(shù)基于硅膠模而翻制樣件的技術(shù)，硅膠模制造工藝是一種比較普及的快速模具制造方法。由于硅膠模具有良好的柔性和彈性，能夠制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細、無拔模斜度，甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽類的零件，制作周期短，制件質(zhì)量高。真空注型工作步驟，如圖5所示。

2.5.2 PUG的優(yōu)缺點

優(yōu)點：1）小批量生產(chǎn)；2）工藝相對簡單，易操作；3）只需簡易硅膠模，制作時間短；4）可選擇多種材料。

缺點：1）類批量材料在性能上受限制；2）易發(fā)生起泡、缺料等表面缺陷。

綜上所述，各類快速成型技術(shù)對比，如表1所示。

表1 各種快速成型技術(shù)性能對比

3 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用實例

3D打印技術(shù)對于制造測試部件、或是一些在開發(fā)過程中需要頻繁變化的、針對特定應(yīng)用產(chǎn)品而言，無疑是最理想的選擇，因此，3D打印技術(shù)的應(yīng)用貫穿汽車研發(fā)的全過程。

3.1 3D打印技術(shù)在造型油泥模型試制中的應(yīng)用

造型油泥模型的制造中,除車身主體部分由油泥銑削完成外，車身附件則大量應(yīng)用了3D打印技術(shù)，如格柵、Logo、門把手及光亮飾條等零件。由于在造型階段，造型變化快，需多方案對比展示。通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，則可以在縮短零件制造周期的同時，充分展示造型細節(jié)。汽車造型油泥模型，如圖6所示。

3.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于概念及結(jié)構(gòu)設(shè)計和技術(shù)驗證

產(chǎn)品開發(fā)的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過3D打印件靜態(tài)分析和實車安裝，發(fā)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計問題，與結(jié)構(gòu)設(shè)計工程師技術(shù)溝通，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高零件強度和可制造性，簡化零件結(jié)構(gòu)，驗證技術(shù)可行性，提高產(chǎn)品成熟度。圖7為零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗證示意圖。

3.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于多種材料的內(nèi)外飾件制作

通過多種原材料的選擇和應(yīng)用，在整車研發(fā)過程中運用3D打印技術(shù)進行各種樣件的制造，如方向盤、門內(nèi)飾及密封條等，相較于模具件則大大縮短了試制周期，降低了零件制造費用。3D打印在內(nèi)外飾樣件中的應(yīng)用，如圖8所示。

3.4 3D打印技術(shù)應(yīng)用于多材料集成的內(nèi)外飾件制作

3D打印技術(shù)的一個突出優(yōu)勢是：可以進行多材料一體制造，如輪轂和輪胎一體成型，輪轂部分采用ABS硬質(zhì)材料，輪胎部分采用橡膠材料一體打印成型，通過這種工藝充分解決了內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分總成零件的試制。多種材料3D打印一體成型，如圖9所示。

3.5 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜分總成內(nèi)外飾件一次性快速制作

采用3D打印技術(shù)可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模塊零件一體打印成型，如儀表板出風(fēng)口模塊，通過3D打印技術(shù)在確保零件精度及功能性的同時，大大縮短了單件制造時間和總成拼裝工時。

以出風(fēng)口樣件制作為例，若采用傳統(tǒng)ABS銑削工藝，則需要將各單件單獨銑削再進行總成拼裝。若采用PUG工藝，則需要先采用SLA制作原型件后，通過PUG翻模制作單件后再進行總成拼裝。

3D打印一體成型技術(shù)相較于這兩種工藝則更為省時增效，如表2所示。

表2 出風(fēng)口樣件各工藝制造時間及費用對比

3.6 3D打印技術(shù)應(yīng)用于中小模型一次性快速制作

在整車研發(fā)中，為進行局部區(qū)域造型驗證，通常制造局部模型進行檢驗。相較于以往的銑削工藝，3D打印技術(shù)在確保模型精度的前提下，無疑大大縮短了制造周期。以儀表板局部模型為例，若采用ABS或代木銑削，則需先進行單件銑削后，經(jīng)手工匹配方可完成總成模型，如圖10所示。而采用3D打印技術(shù)則可以將此類中小型模型一次性快速成型，更為省時高效，如表3所示。

表3 儀表板局部模型各工藝制造時間及費用對比

3.7 3D打印技術(shù)在輔助檢具和夾具中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)為研發(fā)過程中的輔助夾具及檢具提供了快速的診斷手段，相較于激光切割卡板則精度更高，相較于銑削工藝則制造周期更短。圖11示出輔助檢具樣件。

4 結(jié)論

目前3D打印技術(shù)更多應(yīng)用于整車研發(fā)階段，快速制造出樣件或模型，在整車上市前，對方案及工藝進行調(diào)整和優(yōu)化，并作出決策，從而大大縮短設(shè)計周期、加快產(chǎn)品上市。對于需要大批量生產(chǎn)的零件，3D打印因為材料、成本及法規(guī)等諸多因素的影響未必適用。但是3D打印可以制造功能零件，尤其是一些造型非常復(fù)雜、精度要求高、需要反復(fù)調(diào)試的零件。綜合來看，3D打印技術(shù)可以大幅度降低汽車開發(fā)過程和制造過程中的成本，提升工作效率，降低新車型新零件的開發(fā)時間，使品質(zhì)更好、技術(shù)更完善、價格更便宜的汽車因為3D打印技術(shù)的普及而出現(xiàn)，消費者也會從中受益。