3D打印在汽車零部件行業中的應用

賈紹勇

摘要：本文探討了3D打印在汽車零部件行業中的應用與發展，結合具體實例說明3D打印在汽車零部件行業的應用，汽車底盤、內飾、車身外覆蓋件等很多零部件都已成功運用ABS塑料和碳纖維材料作為基礎材料，實現了3D打印，3D打印技術具有其他成型加工方法難以比擬的優勢， 3D打印技術在汽車零部件領域具有廣闊的應用前景。

Abstract： This paper discusses the application and development of 3D printing in automobile parts industry， and illustrates the application of 3D printing in automobile parts industry with concrete examples， many parts， such as automobile chassis， interior decoration and body outer covering parts， have successfully used ABS plastic and carbon fiber materials as the basic materials to realize 3D printing. 3d Printing Technology has the advantage that other molding processing methods can not match， 3d Printing Technology has a broad application prospect in the field of automobile parts.

關鍵詞：3D打印;汽車零部件;應用

Key words： 3d printing;auto parts;applications

中圖分類號：U466? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）23-0097-02

0? 引言

現有汽車零部件企業，不僅要保證汽車廠常規車型的供貨，而且還要保證整車廠研發新車型零件的供給，隨著人民生活水平的提高，我國的汽車保有量逐年提高，個性化多功能綠色環保等要求使得新產品開發的速度越來越快。這就要求零部件企業必須跟上整車廠的研發速度。傳統汽車零部件的制造工藝主要依賴于機床和模具進行加工，模具生產制造周期長，難以滿足整車廠開發進度要求，而3D打印技術的應用給汽車零部件制造帶來了根本性的變革。

1? 3D打印技術

1.1 3D 打印的概念? 3D是快速成形技術中的一種，也稱之為增材制造。使用粉未金屬材料、塑料等粘合材料，通過逐層打印的方式構造物體的技術。通常是采用數字技術材料打印機來實現的。該技術在汽車工業、航空航天、建筑、醫療等行業有著廣泛的應用。隨著計算機數字技術的發展，打印機打印精度的提高，打印新材料的不斷誕生，應用范圍更加廣泛。目前應用比較廣泛的3D打印成型工藝主要有：選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光熔化（SLM）、直接金屬激光燒結（DMLS）、立體光固化成型（SLA）、熔融沉積成型（FDM）、分層物體制造（LOM）等，不同類型的工藝在不同的領域有著應用的優勢。

1.2 3D打印的產生? 1983年，美國人查爾斯·赫爾（Charles hull）發明了立體平板印刷技術（Stereo Lithography Appearance），簡稱SLA。它的原理是采用光照的辦法催化光敏樹脂，然后成型制造。1993年，麻省理工學院發明了一種全新的3D打印技術。這種技術類似于噴墨打印機，通過向金屬、陶瓷等粉末噴射粘接劑的方式將材料逐片成型，然后進行燒結制成最終產品。

1.3 3D打印的原理

1.3.1 FDM熔融沉積技術? 該技術是將絲狀熱熔性材料加工熱熔化，同時打印機噴頭在計算機控制下，沿X軸方向前進，工作臺則沿Y、Z軸方向移動，將材料涂在工作臺上，完成一層后，工作臺下降一個分層厚度，然后重復以上步聚，直到工件完全成形。

1.3.2 SLA立體光固化成型技術? 光固化成型技術又稱為立體光刻技術，是基于液態光敏樹脂發生聚合反應變硬，從而造形。采用激光作為光源，匯聚成0.1mm左右的光斑，通過計算機控制掃描器，引導激光束在XY平面掃描，液態樹脂在光照射下迅速發生光聚合反應并從液態轉變為固態，然后制作平臺下降一定距離（0.05-0.025之間），新的固化層覆蓋在上一層，依次循環，直到最終模型成型。

1.3.3 SLS選擇性激光燒結? 選擇性激光燒結加工過程使用的原料為聚碳酸酯、尼龍、纖細尼龍、合成尼龍、陶瓷、金屬等，采用將一層粉末材料平鋪在工作臺上，并加熱至恰好低于該粉末燒結點的某一溫度，控制激光束按照該層的截面輪廓在粉末上掃描，使粉末的溫度升至熔化點，進行燒結，并與下面已成型的部分實現粘結。當一層截面燒結完成后，工作臺下降一個層的厚度，鋪料輥又在上面鋪上一層均勻密實的粉末，進行新一層截面的燒結，直至完成整個模型。

2? 3D打印在汽車零部件行業的應用

汽車新產品更新換代速度越來越快，研發周期越來越短，整車配套零部件企業如果還按傳統制造方法生產，將難以滿足整車廠的要求進度，3D打印技術日益成熟，設備功能是日益完善，整機價格持續下降，使得3D打印迅速在汽車外飾件、內飾件、模具上得到廣泛應用。

2.1 汽車零部件設計? 在汽車零部件設計方面，由于3D打印的快速成型特性，徹底改變了傳統汽車零部件的設計制造流程，由以往設計制圖、工藝設計、模具設計、零件制造、組裝驗證、設計修改、模具修正、零件制造這樣一個長流程的設計制造過程，有了3D打印后，研發人員可以在幾天或幾小時內通過電腦制作出零件模型，再用3D技術直接將圖紙打印成零件。減少了零件設計、工藝設計、模具設計制造、零件驗證等許多環節，使得汽車零部件制造過程周期縮短，制造成本低，生產效率更高。因此，3D打印技術在汽車零部件制造上，尤其是新產品開發上應用越來越廣泛。

隨著3D打印技術的發展，材料選擇的多樣性，在汽車零部件新產品研發時就可以選擇不同材料、不同的機械性能進行零件制作，使得設計人員在新產品開發的前期，就能夠進行不同材料進行比對，機械性能的測試，在設計階段可以方便進行設計缺陷的修正和完善。提高了汽車零部件在設計層面的生產效率，大大降低了汽車行業新產品開發的成本，縮短了新產品試驗周期。

2.2 汽車內外飾件? 在汽車零部件制造廠商中，汽車新產品零部件樣件開發量很大，尤其是汽車內外飾零部件，其零件結構越來越復雜，比如為了降低風阻，要求形狀多曲面光滑連接，以往由于模具制造的限制，不能按最優曲面結構設計，只好以犧牲部分性能為代價來滿足零件的制造要求。而3D打印技術的出現很好的解決了此類問題。在材料方面不局限于樹脂或工程塑料，金屬材質也可以很快速成形。根據統計，3D打印技術的應用，使汽車零部件在開發周期上縮短40%，開發成本降低20%。由于節能減排綠色環保要求，輕量化設計要求越來越高，如保險杠、擋泥板、車燈等外飾件。西沃客車控制面板采用SLA 3D打印，制造周期為4天，整車測試后反應良好，標致4008的空調箱采用SLS3D打印，制造周期為3天，測試后性能穩定。汽車內飾件如儀表板、方向盤、空調排氣蓋板、手套盒、操縱桿相比傳統制造方式，3D打印就可以降低設計成本，同時精確還原產品形狀。民用版東風猛士2.5×2m的儀表操控臺采用SLS、SLA 3D打印，制造周期僅用15天，測試后使用良好。

2.3 在維修和改裝領域的應用? 3D打印對汽車維修技術、備件庫存帶來顛覆性的改變。對于緊缺無庫存零部件更換維修時，開發相關模具浪費大，成本高，時間長。當有了3D打印技術后，技術人員只要對拆卸下來的零件掃描，進行參數修正，即可通過3D打印直接修復或打印出緊缺零部件，延長關鍵結構的壽命。當維修進口車時進口零件需要時間較長，難以滿足用戶使用要求。在汽車維修中經常使用專用工具，某些工具需求量少，購買困難，3D打印可以直接解決這個問題。隨著個性化消費的興起，購買車輛后進行改裝的人會越來越多，需要改裝的零件五花八門，難以組織生產，當有了3D打印技術后，這些問題迎刃而解。

2.4 汽車零件模具? 汽車上使用的零部件大部份通過模具進行生產，對于復雜結構產品的模具，使用傳統工藝制造方法難以加工，不得已犧牲零件性能。傳統模具制造過程：對零件圖紙進行工藝制定、模具設計制造、零件驗證、模具修整、零件驗證幾個過程反復，直到生產出合格零件，導致周期長，成本高。相對模具制造過程，3D打印可以直接打印生成模具，節省成本提高效率。

①直接制作手板：SLS、SLA、FDM等這幾種3D打印工藝都能制作手板，只是制作出來的手板的精度、強度和表面質量有區別，這也是目前3D打印技術最常見的應用方式。②間接制造模具：即利用3D打印的原型件，通過不同的工藝方法翻制模具，如硅橡膠模具、石膏模具、環氧樹脂模具、砂型模具等。③直接制造模具：金屬3D打印，在模具行業就更具優勢了，比如可以用于制造異形水路鑲件。相比傳統的水路而言，3D打印異形水路具有冷卻時間短、產品質量高等特點。

2.5 個性化設計? 隨著生活水平的提高，人們的個性化要求越來越多，3D打印可以短期低成本滿足人們的個性化要求。比如，消費者希望讓自己新車外觀及內飾與眾不同，如果采用傳統工藝開個新模具，其成本數十萬元計，但運用3D打印快速成型，無須額外制造模具，最大限度精簡制作工序降低成本。

3? 3D打印在汽車零部件行業應用優勢

①汽車零部件按傳統制造工藝，研發到測試階段還需要制作零件模具，不僅時間長成本高，當存在問題時，修改零件結構也需要同樣漫長的周期。難以滿足整車開發進度要求：即快速進行設計確認、裝配確認、功能確認、材料確認、和生產確認，而3D打印技術的應用則能讓零部件制造商滿足以上幾點要求，當測試出現問題時，修改3D文件或更改材料重新打印即可再次測試。可以說，3D打印技術讓未來零部件的開發成本更低，效率更高。②可以訊速適應整車廠設計更新，使得零部件制造優化設計，加速產品概念驗證流程。③以前汽車部件研發采用CNC機床或者手工制造，包括切削、鉆孔、粘接等工藝，模具開發制造費時費力，還難以滿足要求。3D打印快速成型工藝，大大縮短了產品設計和原型開發所需的時間，并且能夠實現快速修改設計方案并反復大量迭代。④3D打印材料多樣，可以根據機械性能選擇材料。金屬3D打印技術不斷成熟，給汽車制造帶來深遠的影響，不同于銑削、噴涂、沖壓和鑄造等傳統制造工藝，3D打印可生產任意造型的產品，包括具備空腔或蜂窩結構的創新型輕量化組件。

4? 結束語

3D打印技術在汽車零部件的開發過程中，可以一次性打印多種具備不同機械性能材料的產品，在產研發試制階段進行評估選擇，相比傳統制造方式，不僅有效縮短零件的試制周期、減少生產成本，還可以精確還原產品形狀和材料特性，進行評估后可以迅速修改、制造新的樣件。當前隨著3D打印在汽車領域的滲透發展，國內外汽車廠家如福特、寶馬、大眾、本田、吉利、北汽等整車廠在3D打印應用上取得令人滿意的效果。隨著3D技術不斷發展，打印材料進一步增加，3D打印設備價格下降和功能日趨完善，3D打印技術在汽車上的應用也越來越廣泛。

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