汽車機械制造領域中3D打印技術的應用分析

蔣佳浩

摘 要：近些年中國汽車保有量快速上，對車輛的要求也趨向于多元化、智能化、網絡化，行業競爭日益激烈。在此背景下，3D打印技術傳入我國后，直接顛覆了傳統的機械制造。在零件和部件的加工和制造過程中發揮著十分重要的作用。更加有效的提高了生產率與生產質量。3D打印技術以其生產過程無需模具、加工過程更加簡單化，快速進入人們的視線。因此在當前機械設計與制造領域中，也是廣大企業推廣應用的重要技術手段之一。

關鍵詞：3D打印技術 機械制造 應用

1 引言

自21世紀以后，3D打印技術傳入我國之后，就在航空航天產品，醫療器械以及汽車生產中得到了普及應用促進了機械制造技術改革，也使機械制造越來越智能化、自動化，在結合各項汽車機械制造領域中，來調整3D打印技術的使用方式。必須根據使用效果以及反饋出來的問題對3D打印技術的完善與優化。切實提升機械制造質量與效率，推動汽車機械制造領域的穩定發展。

2 3D打印技術的基本概念

3D打印技術作為快速成型技術。3D打印技術采用分層加工疊加成型，將數字化模型進行分層切片，本質上是將連續的表面分解為微小單元，是數學層面上微分的操作。3D打印廣泛用于軍事，醫療，機械等領域，在不斷發展中，結合了數據分析、BIM技術相結合，促進了機械制造技術改革。在3D打印機有金屬、陶瓷、塑料等不同的打印材料。在實際打印過程以不同層為基礎構建，部件主要的打印，在打印過程中，通過選擇性熱燒結、電子束熔化成型、光聚合等多重模式實現對材料的精細化、個性化打印。促使汽車機械制造越來越智能化和自動化，解決了在實際生產中產品結構的制約的問題，在保證生產質量和效率的基礎上，還降低了生產成本。因此3D打印技術憑借自身的優勢，在汽車機械制造領域有廣闊的應用空間。

3 汽車機械制造領域中3D打印技術的現狀

3.1 3D打印技術國內發展現狀

3D打印機技術在醫療、軍工、航天、精密制造領域中有廣泛應用。所以各企業尤其是技術開發能力比較高的企業都在降低成本，縮短研發周期，簡化復雜結構化產品的生產過程中，采用了3D打印技術。3D打印技術不僅能代替生產線完成生產的工作，還可以依托先進的數字化技術，不需要借助模型來進行復雜的結構化生產，可縮短產品的研發周期。目前我國已在3D打印技術領域取得了較高的成績。3D打印技術不僅用于我國的航天實驗，還用于各類的醫療器械生產以及汽車行業當中。

到目前為止，許多大學，都開展了3D打印技術的研發。3D打印技術是多種技術的組合，包含設備研發、3D掃描、虛擬成型等不同領域的技術。打印產品后處理等一系列研究。3D打印技術在航天、汽車、醫療等行業有突出的表現。因此國家和相關企業加大資金投入，加強對3D打印技術的研發與創新，使3D打印技術為機械制造創造更大的價值。

3.2 3D打印技術在機械制造領域的現狀

目前3D打印技術用于奇瑞汽車，長安福特，東風汽車，神龍汽車等我國汽車企業內部的研發以及零部件的生產。

在近幾年3D打印技術被大多數人所認知，主要是3D打印技術對于汽車生產企業以及汽車制造企業和汽車零件配件生產企業，起到了至關重要的作用。同時也是對老生產基礎的一種變革。同時3D打印技術，對于概念車開發，幫助企業減少研發時間，節約研發成本。利用三維數字化技術，使機械產品的設計過程更加智能化，簡單化，極大簡化了傳統產品的設計步驟。同時3D打印技術也可以滿足客戶的私人定制需求，也能滿足了個性化的產品定制。3D打印技術不僅實現了對產品的優化，在對實物的模型進行構建時也起到了至關重要的作用。在對物體的再造升級過程中，3D打印技術不僅節約了研發的成本，同時縮短了車輛更換配件的時間，降低了維修人員的工作壓力，促進車輛下游行業良性發展。

但是對于一些進口車而言，不僅維修費用高，而且等待維修的時間很長。像寶馬公司在國內已經建立了許多零部件配送中心。保障在24小時內提供零部件，但大多數進口車維修依然存在的諸多問題，尤其是零件供給問題，當一些核心零部件出現問題之后，經銷商仍需從廠家聘請專家，整體的維修成本價增高，最終維修成本會直接、間接轉嫁到消費者身上。

4 汽車機械制造領域中3D打印技術遇到的問題

3D打印技術與生產制造的關系是緊密相關的。在3D打印技術的應用下，不僅為企業降低了生產成本，進一步的提高了生產效益，在該項技術的支持下，生產過程更加簡單化。不僅簡化了生產流程，還降低各種人力，財力，物力等資源的投入。但是在實際的生產制造過程中，依然存在一系列的問題需要解決。

4.1 打印機的價格

雖然3D打印技術節約了人工成本問題，提高了企業的生產制造能力使生產更加智能化，簡單化。但是3D打印機價格相對而言比較昂貴，尤其是一些性能較好的打印機，它是一些中小企業無法負擔的。這也導致了這項技術無法面向全國拓展的重要原因之一。與此同時，在實際打印過程，打印機經常需要對一些金屬和塑料陶瓷進行打印。相對而言，材料本身的硬度較強，容易造成出口堵塞后續運營維護的成本比較大。

4.2 勞動力以及技術性人才

近些年來勞動力資源是我國制造產業中不可或缺的一部分。隨著3D打印技術的應用，雖然生產過程與其機械制造過程會逐漸走向信息化，智能化的時代。但一些單純體力型的勞動資源正在慢慢降低。傳統制造中對于流水線的生產大多數是依靠勞動力來實現的。很可能出現市場勞動力過剩的情況。但是在長期以來，我國普遍缺乏高技術人員，3D打印技術在器械制造的工藝環節以及工序方面雖然縮短了人力成本。但對于高技術型人才還是比較少。從而受到了一定的限制。

5 汽車機械制造領域中3D打印技術的應用分析

5.1 解決現階段的問題

未來的發展過程當中，我們需要不斷的去研發，3D打印機的水平。達到降低其成本的愿望，使得中小型企業也能承擔打印機的價格。從而實現該項技術全方位的普及及應用。使汽車機械制造領域充分應用3D打印技術，從而有效彌補傳統機械制造過程中所存在的弊端。使生產過程更加簡單化，提高生產效率，降低作業強度。在汽車零件制造過程中涉及到橡膠，鋼材，陶瓷等不同種的材料，因此在3D打印過程中應該合理選擇打印材料，明確打印過程中存在的問題，采用三重噴射技術提高打印的準確性，通過引入自動化開發流程，借助集成化工具實現專用化生產，完成整體的車載標定工作，有效彌補人工的不足，實現由大到強的穩步發展。滿足用戶的多樣化需求。

例如在打印剛性不透明材料時，一般干凈不透明材料包括檢查儀表和卡具，精密度較高，在實際打印過程中要合理調整參數，要根據明確材料的硬度，調節噴頭與X軸、Y軸、Z軸相對應的關系。在打印專用材料時，應該盡量使用生物相容性的材料進行打印，借助輔助設備避免熱液體和氣流的影響，在打印過程中可以選擇聚丙烯材料，提高材料的熱穩定性。實際打印過程中要借助CAD軟件，首先創建3D模型，通過自上而下的逐層打印，確保打印的準確性

隨著現代技術的持續發展，機械制造也逐漸走向了信息化，智能化的時代，在此階段我們更應該儲備大量的高端技術人才，從而使得3D打印技術不斷的完善及發展。如今我國3D打印設備的科學水平在某種程度上已處于國際化先進水平，然而在對控制機械制造的整體精度穩定等層面上，距離國際尖端水平依然存在著差距，還需要提高。在此階段應該做到精益求精的研發使得3D打印技術追上國際化的水平。同時也應引進大量的人才，做好人才儲備以及人才規劃，使人才不向外流出。從而形成一個良性的發展環節。

5.2 應用前景

3D打印技術的優勢可以充分體現在定制零部件上，少量復雜先進的車型，在進行維修或更換零部件時，由于生產商較少，大多數是國外進口，物流成本較多，一旦開模會造成一定的資源浪費，提高整體的作業成本，導致零部件換件難的問題。如今對于機械制造行業，3D打印技術就是一個突破口。而在應用3D打印技術之后，可以快速調取源文件，得到模型的3D數字模型，在明確基礎材料之后，直接進行打印調取，有效控制成本，提高整體的維修效率，節省大量的時間成本以及材料成本，提高顧客的滿意度

例如，更換零部件是汽車維修行業中的基本手段，現在實際汽車生產制造中，對于一些非標準和非通用零件本身的備件較少，購買困難，等待周期長，在應用3D打印技術后，可以快速讀取數字模型，3D打印機可以進行實物掃描，借助紅外線快速建模，直接在CAD模型上讀取三維數字模型，適應多元化的工作路徑，為軟件的靈活性提供了保障。根據量化的行為規范，全過程監管，在規定時間內通過機器的操作習慣，計算出最小單元的平均完成時間，實現多層次、立體化的數據管理。同時可以對參數進行更，當時維修人員能夠跟設計人員進行交流，降低后續的維護成本，3D打印技術不僅結合了現在的實際情況。

5.3 汽車機械制造領域中3D打印技術的應用

5.3.1 數字設計建模

3D打印機的數據來源主要包括數據庫的原始模型、實物掃描兩種方法，在原始數據調用過程中各個參數較為準確，一般適用于原有模型的構建，可以在基礎上直接進行參數修改、材料轉換。第二種則是對于實物進行掃描，在實物掃描過程中可能出現細節問題，內部結構無法有效掃描，因此在使用時一般都是采取手工建模、實物掃描相配合的方式 利用特定的網絡形狀進行等效的計算，減少工作步驟。考慮零件的彈性系數，擬合建立等效方程，并采用系統方程求解的方法。保證汽車零部件機械制造設備能夠適應不同的作業環境，通過快速更改參數實現，形成多樣化的管理模式。在算法設計過程中要基于AUTOSAR模擬數據信息，在實際軟件設計過程中，要快速收集離線仿真和實車裝載中的各項信息數據，對軟件信息進行驗證，并對此過程中出現的問題進行修改與優化。加強整體的仿真模擬導入控制算法與仿真模型，通過Vector CANalyzer實現有效的互交，分散不同工況中存在的風險。構建不同狀況下駕駛平衡體系，以多重參數的動態化管理形式，輔以標準化的管理機制，保證駕駛員在正常行駛中的安全性、穩定性。

例如，3D打印技術設計過程中常用的商業設計軟件有通用性和行業性兩種汽車設計制造企業在汽車制造使用工業軟件也有不同。國內的大多數都是以CAD使用的較多。2009年開始最早的一批3D打印相關專利錄取失效，給諸多企業接觸到3D打印的核心技術機會，給3D打印技術改進和發展帶來巨大的動力，3D打印技術在汽車各個行業領域里占據了重要地位。

5.3.2 切片處理

所謂切片就是將3D數字模型離散化。沿一個軸的方向離散為一系列的二維層面，從而得到一系列的二維平面信息，使3D打印能以平面方式根據不同工藝要求有序連續加工出每個薄面。在借助計算機前臺控制系統對數字化模型進行切片處理。如果數據分成出現問題，會直接影響打印的產品質量。數字模型完成后，需要對模型進行分層切片處理，使打印機按層工作。在打印過程中，要強化參數控制，形成技術閉環控制，實現參數的動態調整，完成全自動化的啟動、關閉，控制整體的生產流程，降低工作難度。在實際打印過程中要通過對主命令進行分析，以啟動和停止兩種信號為核心內容，儲存工作中的信號，將儲存后的數據傳遞的緩沖區，完成對汽車零部件機械制造設備單元工作狀態的調整和檢驗。

例如，現在切片軟件的分層算法主要明確材料幾何特征分類的，合理配置分層算法。配置DTO陣列，啟動 DAQ-DTO 對應的模式一秒刷新一次，能夠更好的觀測報文數據，顯示電機扭矩的變換趨勢。采用CVS進行測試資源的配置管理。引入MaxQ和WebInject對B/S結構的應用系統進行功能測試，完成數據的整體管理，基于幾何信息提取的分層算法，建立分組矩陣。

5.3.3 工裝夾具的應用

汽車在日常作業過程中面臨的工況，車面復雜的曲面構成，整體的造型較為復雜。一般汽車的外板為薄板件，需要對曲面進行定位。在曲面加工過程中作業時間較長，加工成本較高，一旦出現問題時無法更改，需要進行返工處理。因此可以將3D打印技術應用到工裝夾具與造型評審中，首先對于復雜曲面的微分化，先采用3D打印出臨時的工裝樣件，借助樣件進行調試，待調試完成后再繼續生產，有效縮短了整體的調試時間，以SV61車型為代表進行分析，基本的只需要進行兩次更改，在實際調試之后可以安裝鋁合金，控制整體的鑄造成本。

6 汽車機械制造領域中3D打印技術的應用建議

3D打印技術給汽車機械領域注入了新活力。為了更好的促進3D打印技術應用，改善傳統機械制造高消耗、低產值的問題，推動機械制造業的可持續發展。應鼓勵高校和相關企業持續進行3D打印技術的研發與創新，加大3D打印技術研發資金的投入。同時要積極培養人才。在人才培養過程中，要堅持走出去和引進來相結合的戰略。對內要完善人才培養模式，其對于軟件工程師、3D打印是給予一定的資金扶持，對外要積極開展科研合作，密切關注高校的科研進度。定期交流在生產制造中存在的問題，加強信息供共享。

3D打印機是一個包括光電，計算機，原材料，液壓等不同元件，共同組成的電子模塊。不僅包括三維電子模型，可以通過參數賦值的方式來設定模型的形狀和各個尺寸。3D打印技術在未來發展過程中有廣闊的空間。作為汽車生產制造企業應該合理應用3D打印技術，降低整體零部件生產制造成本，縮短零部件的生產制造周期，給予客戶更好的體驗。作為政府要積極發揮自身的引導作用。推動產學研結合。高校要開設專業的3D打印課程和數字建模課程，創建實訓基地和高新技術孵化項目，推動科研成果轉化，實現3D技術、物聯網、大數據技術的有機結合，構建3D共享平臺促進信息的融合

7 結語

當下是汽車機械制造領域中3D打印技術的發展的重要階段。本文從3D打印機在汽車機械制造領域強調重要性與必要性，同時分析了汽車在機械制造領域中應用的可行性、有效性，并提出了控制性技術應用方案，在實際應用過程中對方案進行不斷的優化，從此來發揮3D打印技術在汽車制造領域中發揮最大的效用。

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