基于樣車試制的3D打印應(yīng)用研究

王科委　王昉

摘 要：本文首先介紹了3D打印的特點(diǎn)、優(yōu)勢及汽車行業(yè)競爭日益加劇對汽車設(shè)計(jì)及汽車研發(fā)精益化帶來的深刻挑戰(zhàn)。將3D打印技術(shù)引入樣車試制的驗(yàn)證活動中，不僅可以支持汽車設(shè)計(jì)問題的快速驗(yàn)證，為汽車研發(fā)周期的壓縮和精益助力，而且節(jié)省了后續(xù)硬模更改的費(fèi)用，可大大降低汽車研發(fā)的成本。本文介紹了3D打印技術(shù)在樣車試制過程的幾個應(yīng)用方向，包括樣件、工裝、人機(jī)驗(yàn)證等，最后展望了3D打印技術(shù)在樣車試制及汽車研發(fā)、制造的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：3D打印 樣車試制 汽車設(shè)計(jì)驗(yàn)證

Research on 3D Printing Application based on Prototype Car Trial Production

Wang Kewei Wang Fang

Abstract：This paper firstly introduces the characteristics and advantages of 3D printing and the profound challenges brought by the increasing competition in the automotive industry to automotive design and automotive R&D lean. The introduction of 3D printing technology into the verification activities of prototype car trial production can not only support the rapid verification of automobile design problems， but also help the compression and leanness of automobile research and development cycle， but also save the cost of subsequent hard mold changes， which can greatly reduce the cost of automobile research and development. This paper introduces several application directions of 3D printing technology in the trial production process of prototype vehicles， including prototypes， tooling， human-machine verification， etc. Finally， the application prospect of 3D printing technology in prototype car trial production and automobile R&D and manufacturing is prospected.

Key words：3D printing， prototype trial production， vehicle design verification

1 引言

隨著科技不斷進(jìn)步，汽車行業(yè)也迎來了高速發(fā)展及電氣變革，各種車企新勢力如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，車型更新迭代的速度也越來越快。相比而言，傳統(tǒng)汽車研發(fā)周期一般需要3～5年，如此長的研發(fā)周期早已不適應(yīng)客戶對汽車個性化、智能化、定制化的需求，更加無法適應(yīng)日益嚴(yán)峻的行業(yè)競爭環(huán)境。壓縮車型研發(fā)周期，降低車型研發(fā)成本成為每個車迫在眉睫需要解決的的挑戰(zhàn)與考驗(yàn)。不同于生產(chǎn)工廠的量產(chǎn)項(xiàng)目，樣車試制車間每年的承接項(xiàng)目具有車型新，零件新、造車量少、工程變化量大等特點(diǎn)。作為汽車新車型量產(chǎn)前的最重要的環(huán)節(jié)之一，在樣車試制過程中解決因產(chǎn)品研發(fā)周期壓縮造成的零件缺失或零件并非最終設(shè)計(jì)狀態(tài)、正常量產(chǎn)需提前驗(yàn)證工裝定位策略、制造是否可以滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求需要提前驗(yàn)證等問題，從而實(shí)現(xiàn)在試制過程中充分地驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)并提前推動問題解決，最終推動并助力新車型順利量產(chǎn)，成為樣車試制的核心價值及職責(zé)所在。

3D打印技術(shù)正式因?yàn)橹圃熘芷诙蹋圃斐杀镜偷忍攸c(diǎn)，已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于汽車及樣車試制過程中。3D打印技術(shù)作為增材制造技術(shù)，是工業(yè)4.0時代最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一，是一種基于離散堆積成形思想的新型成型技術(shù)，其原理是將計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)出的三維模型分解成若干平面切片，然后將打印材料按切片圖形逐層制造疊加，最終堆積成完整的物體。與傳統(tǒng)的等材制造及減材制造技術(shù)（例如鑄、鍛、焊、車、銑、刨等）相比，3D秉承“分層制造，逐層疊加”的核心原理，單次打印一體成型，打印過程中由設(shè)備控制工藝步驟及制造精度，無須人工操作，加工精度和復(fù)制性皆優(yōu)于傳統(tǒng)制造技術(shù)。采用3D打印技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，打印技術(shù)不需要專門的模具和夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)都不受其他約束，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)成型，同時因?yàn)槠涑尚驮砜梢允∪ツ＞叩闹谱髋c準(zhǔn)備，極大的降低了開發(fā)周期及開發(fā)成本。因此，3D打印技術(shù)正在越來越多地被應(yīng)用于樣車制造的各個環(huán)節(jié)：樣件準(zhǔn)備、工裝制作、設(shè)計(jì)驗(yàn)證評估、制造評估等。

2 3D打印技術(shù)簡介

3D打印技術(shù)種類繁多，發(fā)展迅速，因成型材料的不同，3D打印技術(shù)可分為金屬3D打印和塑料3D打印。但因?yàn)榻饘?D打印僅能打印十幾種金屬，主要包括鋁合金、鈦合金、模具鋼、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵鎳合金和銅合金金屬等，而且因金屬3D打印粉末材料技術(shù)壁壘較高、生產(chǎn)困難，導(dǎo)致市場產(chǎn)量不足，金屬打印材料價格居高不下，目前主要主要應(yīng)用于航空航天、模具制造等領(lǐng)域。而且，金屬3D打印件需要對支撐件進(jìn)行切割及二次加工，操作的繁雜性也限制了金屬3D打印的推廣。塑料3D打印工藝根據(jù)成型工藝和材料的不同又有很多細(xì)分，經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展和市場沉淀，逐漸形成了四種主流3D打印工藝：立體光固化技術(shù)（SLA-Stereolithography）、多噴頭噴射技術(shù) （Polyjet）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù) （SLS-Selected Laser Sintering）、熔融堆積成型 技術(shù)（FDM-Fused Deposition Modeling）。2F9BFE54-AF23-4AFE-8214-4DCFAD7DB234

立體光固化技術(shù)以光敏樹脂為原料，紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，移動工作臺，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)行下一層掃描固化。多噴頭噴射技術(shù)類似于行式噴墨打印機(jī)。在成型截面上根據(jù)當(dāng)前層的輪廓精確、迅速地噴射出一層極薄的光敏樹脂（0.016mm）紫外光用以快速固化和硬化當(dāng)前層的光敏樹脂。每打印完成一層后，系統(tǒng)內(nèi)的成型底盤將精確地下降0.016mm，如此反復(fù)，直至成型件的完成。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用CO2激光器（氣體激光器）作能源，使用的造型材料為粉末材料。加工時，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點(diǎn)的溫度，然后將粉末鋪平;激光束在計(jì)算機(jī)控制下根據(jù)分層截面信息進(jìn)行有選擇地?zé)Y(jié)。一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末。熔融堆積成型 技術(shù)工藝是保持半流動成型材料剛好在熔點(diǎn)之上，材料為各種特性塑料。噴頭將半流動狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。每層厚度范圍在0.025～0.762mm，一層疊一層最后形成整個零件模型。不同打印工藝的后處理工序也各不相同，可以根據(jù)工作場地及需求進(jìn)行合理的選取。

3 3D打印工作流程

3D打印開始前，需要根據(jù)用戶需求及應(yīng)用場景選取相應(yīng)的3D打印技術(shù)。一般使用3D打印技術(shù)完成一件產(chǎn)品需要經(jīng)過四個步驟：數(shù)模設(shè)計(jì)、數(shù)模優(yōu)化、打印設(shè)置以及后處理，具體流程如圖2所示。

數(shù)模設(shè)計(jì)可以使用一般的數(shù)模建模軟件（例如Pro/E、UG、Solidworks等），通過三維建模的方式設(shè)計(jì)目標(biāo)產(chǎn)品3D模型;對已有物品的3D建模還可以通過3D掃描設(shè)備逆向生成三位模型，然后處理后形成3D打印模型。對已有的3D數(shù)模進(jìn)行優(yōu)化，例如對結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡、薄壁加強(qiáng)以及對分離的實(shí)體進(jìn)行合并處理等，可以保證數(shù)模的準(zhǔn)確性及打印的精益性，保證后續(xù)打印切片的順利完成。打印設(shè)置除了完成3D打印的數(shù)模切片外，可以設(shè)置數(shù)模打印的形式（實(shí)體打印、空心打印、結(jié)構(gòu)加強(qiáng)等），同時可以優(yōu)化支撐添加的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃噴頭的路徑，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的打印設(shè)置。打印結(jié)束后，需要根據(jù)不同過的3D打印工藝去除支撐、做拼接等后處理。

4 3D打印應(yīng)用于樣車試制的案例介紹

4.1 3D打印快速樣件

在樣車試制過程中，因?yàn)殚_發(fā)及準(zhǔn)備周期壓縮或者產(chǎn)品設(shè)計(jì)變更等原因造成零件無法按時交付時，為了保證試制車輛的正常進(jìn)度并對零件進(jìn)行充分驗(yàn)證，可以通過3D打印技術(shù)準(zhǔn)備快速樣件支持樣車的試制工作，3D打印技術(shù)響應(yīng)快且成本低的特點(diǎn)顯現(xiàn)得尤為明顯（圖3汽車燈罩的3D打印件）。設(shè)計(jì)階段零件造型評估及評審需求，也可以通過3D打印零件來實(shí)現(xiàn)，減少了模具開發(fā)的等待周期，同時降低了后續(xù)模具修改的機(jī)率，從而推動新車型的快速高效量產(chǎn)。

4.2 3D打印總裝匹配類小工裝

為了保證匹配精度，在車輛制造過程中需要匹配類工裝支持裝配，例如銘牌安裝工裝、前保中支架安裝工裝、前后蓋鎖安裝工裝等。傳統(tǒng)的總裝小工裝大多數(shù)在供應(yīng)商處完成，采購周期和供貨周期較長，且問題整改反饋相對不及時。而將3D打印技術(shù)應(yīng)用于總裝的小工裝后，小工裝整體的準(zhǔn)備周期大大縮短，同時能及時響應(yīng)工裝在試用過程中產(chǎn)生的問題。圖4為3D打印總裝匹配類小工裝，3D打印的工裝具有設(shè)計(jì)簡單、操作方便的特點(diǎn)，而且輕量化表現(xiàn)優(yōu)異。

4.3 3D打印人機(jī)模擬評估件

人機(jī)工作的重點(diǎn)在于提前識別生產(chǎn)中無法滿足設(shè)計(jì)需求的問題項(xiàng)并推動解決，難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)狀態(tài)的真實(shí)模擬。3D打印技術(shù)只需要設(shè)計(jì)數(shù)模就可以實(shí)現(xiàn)百分百的設(shè)計(jì)環(huán)境實(shí)際打印模擬，可以在最早期實(shí)現(xiàn)人機(jī)問題的模擬和識別，推動早期設(shè)計(jì)狀態(tài)的優(yōu)化和更改，極大地節(jié)省了后續(xù)硬模開發(fā)及量產(chǎn)的設(shè)計(jì)更改費(fèi)用。圖5為3D打印汽車變速箱裝配模擬件，對人機(jī)軟件判斷的人機(jī)問題進(jìn)行了模擬和判斷，推動了設(shè)計(jì)的早期更改。

5 展望

隨著用戶需求多樣化以及汽車迭代速度越來越快的驅(qū)動，樣車試制車間也需要對越來越多的工程驗(yàn)證需求做出快速響應(yīng)。3D打印技術(shù)成型快、可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印等特點(diǎn)，使得其在樣車試制過程中應(yīng)用越來越廣泛。下一步樣車3D打印的工作重點(diǎn)將基于工程驗(yàn)證、裝配用小工裝、人機(jī)模擬等的基本需求之上，優(yōu)化3D打印的路徑及起始位置，最大限度的挖掘和實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能和材料特性的最優(yōu)化應(yīng)用，不斷提升3D打印的應(yīng)用和拓展能力，為整車開發(fā)及產(chǎn)品順利量產(chǎn)助力。

參考文獻(xiàn)：

[1]周秀梅，高志剛，張灝辰. 3D打印技術(shù)在樣車試制車身焊接模板中的應(yīng)用 [J].時代汽車.2019，（20）：84～85.

[2]閻雄偉，3D打印在復(fù)雜鈑金試制焊接工裝中的應(yīng)用[J].模具制造技術(shù). 2019，19（11）：59-61

[3]楊振英，于博，3D打印在汽車塑料件設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè). 2017，45（5）：11-15

[4]董莘，趙寒濤，吳岡，"打印-加工"一體式3D打印技術(shù)的研究[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用. 2015， 34（12）：98-105

[5]劉金城，采用3D打印的5個理由[J].鑄造. 2016， 65（7）：706-707

[6]黎志勇，楊斌，王鵬程，李俏，莫玉梅，金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及其趨勢[J]. 新技術(shù)新工藝.2017，（4）：25-28.2F9BFE54-AF23-4AFE-8214-4DCFAD7DB234