基于3D打印經典汽車產品的分析

田紅艷 馬芮 丁治中

摘 要：3D打印技術打破了傳統汽車制造對于模具的依賴，使得3D打印技術在汽車制造中的應用更加廣泛。文章運用文獻綜述法、個案分析法探討了3D打印技術在汽車制造中的應用與局限性，并采用具體實例說明3D打印技術在汽車制造中的應用。

關鍵詞：3D打印;汽車制造;產品分析

中圖分類號：F4文獻標識碼：A 文章編號：1674-1064（2021）08-080-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.040

3D打印是一種利用計算機三維軟件建模，將所選擇的材料以較薄的厚度逐層進行打印的增材制造技術[1]。3D打印的產品具有成型速度快、生產成本低、打印精度高等特點[2]。利用該技術結合三維建模軟件，能在幾個小時或幾天內生成產品的概念模型。由于該技術進行逐一打印的特性，其能生產形狀較為復雜、尺寸較小、難度較大的產品及零件。該技術通過對所使用的材料進行選擇和對三維模型結構進行優化，能使打印的產品傾向于輕量化，因此被廣泛應用于航空航天領域。

3D打印適用于小型化、個性化的產品，但由于3D打印自身受材料的限制以及當下科技的局限性，其在汽車制造方面并沒有優勢。國內外很多汽車制造品牌都在研究3D打印與汽車制造更多方面的聯系[3]。這些品牌之所以研究3D打印技術與汽車制造的聯系，是因為3D打印技術能在一定程度上降低產品的生產成本、縮短產品的市場周期、便于用戶進行個性化的定制以及產品的輕量化等。

1 產品個案分析

1.1 Urbee

美國Jim Kor團隊打造出世界上第一輛由打印機打印而成的汽車Urbee，由于該汽車屬于單件生產，沒有供應商愿意為該團隊提供汽車零部件，團隊便產生了使用3D打印進行生成的想法。嚴格意義上來說，其并不是完全由3D打印而產生的，其部分零部件以及其外殼是使用3D打印生成的，大多數配件仍然采用傳統的制造方式生產。由于3D打印對外形的包容度很大，該團隊對Urbee外形使用了流線型的橢圓設計，整體上較為圓潤，給人一種萌酷的感覺，如圖1所示。

在當時，3D打印還處于快速成型、修理改裝、外殼打印階段。很顯然，這并不是一輛真正意義上的汽車，更像是大學生競賽的節能車。近年來，3D打印技術使節能車的開發變得更快，輕量化性能變得更好，然而節能車上的技術積累，與真正的汽車技術相差甚遠。

1.2 Strati

Strati是由國外汽車公司采用熔融沉積成型（FDM）方法打造的，材料使用的是ABS塑料，是第一輛3D打印雙人電動車。其整體車身都是由3D打印機進行打印的，整體采用扁長型設計，外形較為圓潤，無大尖銳的部分。在整個打印過程中，Strati的產品成型一共使用了212層碳纖維增強熱塑性塑料。Strati的零部件較少，整個車體只有40個零部件，如圖2所示。

Strati汽車速度限制在每小時60公里左右，需要考慮汽車整車的安全問題，這也是目前3D打印汽車所面臨的一個較為重要的問題。3D打印這種層疊堆積材料制件的方式，導致制品和傳統加工工藝做出來的零件在各項性能上存在差距。

3D打印金屬結構件的技術還不成熟，使用塑料類材料相對來說要更成熟，且成本也更低，導致目前3D打印普遍采用塑料材料。使用非金屬材料做車身問題不大，但是在底盤結構件強度、剛度、耐疲勞等方面，仍然與金屬結構件存在一定的差距。

進行汽車設計時，注塑件的拔模角是限制設計師思維發散的重要因素。表面上不存在特殊皮紋處理的塑料件至少要3°，而如果加了各種形式的皮紋，那么拔模角則有可能達到5°甚至7°。對于格柵、大燈上很多縱深很大的零件來說，如果前端的特征只有2毫米，那么尾端則會因為拔模角張開到超過10毫米，這對于很多比較細節的特征來說是無法接受的，而3D打印就不存在這個問題。理論上來講，3D打印的零件沒有拔模角，便于設計師進行思維發散。

1.3 LESV

由中國人創立的意大利公司XEV，推出了全球首款量產3D打印小型雙座智能汽車LESV，如圖3所示。LESV的所有內部飾件都是采用3D打印的非結構件，該汽車在3D打印過程中所使用的材料，是利用玉米進行提煉得出的環保材料。由于3D打印技術的靈活性，對物體外形及部分零件的制造接受度較高，較為適合汽車風格與功能的個性化定制。

3D打印從速度上來說，守住已經設計好的安裝結構，車身表面的各種特征可以隨時修改，修改時間也較短。只要有了數據，就可以直接批量生產。同時，由于3D打印在速度上的優勢，3D打印汽車可以做自由度較高的個性化定制，如圖4所示。比如，圖4中皮卡丘版的耳朵和必勝客版的“帽子”，都可以做到和車身一體化。

汽車領域受到3D打印材料的限制很大。人們對金屬和皮革的喜愛一直沒減弱過，車身外飾的各種鈑金件的弧度、質感等都是用塑料模仿出來的。另外，在內飾中，有一些小裝飾、小包邊也都要用到金屬。如果想追求金屬的質感，還是要用傳統的方式做部件。目前，皮革仍不能由3D打印，必要的地方還是需要做包裹，否則內飾的廉價感會很強。以XEV展出的LSEV樣車的狀態來看，內飾的質感還比一款普通車差很遠，全方位的“塑料”讓人覺得有點硬邦邦的，如圖5所示。

1.4 Olli

首款3D打印的自動駕駛巴士“Olli”，如圖6所示。配備IBM人工智能“Watson”的12座自動駕駛公交車“Olli”，使用3D打印機直接制造車身的25%，其余25%的零件都使用3D打印技術，3D打印相關部件占總數的50%。

使用3D打印技術，能在一定程度上減少汽車的生產成本，降低汽車產品的開發周期。在多輪環節中，如果某一部分出現錯誤，便于及時修改設計文件或方案，不用從新開始。3D打印技術使模塊化和可定制性成為可能，從而可以輕松地根據顧客的需求更改內部設計。

2 結語

3D打印具有改變一個行業的潛力，增材制造在汽車工業中的使用也越來越多。3D打印技術的進步推動了行業的更新升級，創新設計又降低了產品的成本。然而，傳統制造模式大批量生產、產品生產成本低的優勢，是3D打印技術目前所不具備的，這也就決定了3D打印目前只能是對傳統制造模式的創新和補充。

總的來說，3D打印并不是一項全新的技術，其只是改進了制造工藝，提高了某些環節的效率[4]。其雖能優化傳統制造工藝，在目前傳統制造所無法實現的部分進行創新，但整體上3D打印還取代不了傳統制造的主要地位，3D打印的發展仍然任重道遠。

參考文獻

[1] 陳鵬.3D打印技術在汽車制造中的應用[J].時代汽車，2018（11）：27-28.

[2] 劉春榮.3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究[J].時代汽車，2019（11）：127-128.

[3] 王晨.論3D打印技術在汽車制造與維修領域的應用[J].湖北農機化，2020，244（7）：70.

[4] 賈紹勇.3D打印在汽車零部件行業中的應用[J].內燃機與配件，2020，323（23）：103-104.