3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州 545007）

3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

鐘偉民

（上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心 廣西柳州 545007）

本文簡(jiǎn)述了3D打印技術(shù)的原理與特點(diǎn)，并對(duì)3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了論述，指出該技術(shù)是汽車造型設(shè)計(jì)部門提升汽車造型設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短開發(fā)周期的一種有效手段。

3D打印技術(shù)；汽車造型；應(yīng)用

前言

隨著3D打印技術(shù)的廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)開始更具創(chuàng)新性，打破了原來單純的幾何形狀，越來越多的精美造型出現(xiàn)在人們生活中，賦予我們生活空間新的活力。與傳統(tǒng)機(jī)器和手工制造相比，3D打印技術(shù)突破了諸多造型、設(shè)備和材料的限制，使其制造的產(chǎn)品更加接近設(shè)計(jì)的本來要求，即使是外觀再?gòu)?fù)雜的產(chǎn)品都能通過3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，并能保證與原設(shè)計(jì)的渾然一體。近幾年，3D打印技術(shù)在汽車造型設(shè)計(jì)中，具有越來越廣泛的應(yīng)用前景，賦予了類似汽車造型設(shè)計(jì)新的活力。

1 3D打印技術(shù)的原理及特點(diǎn)

1.1 基本原理

從原理上說，3D打印是快速成型技術(shù)的一種，又稱“增材制造技術(shù)”，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，由計(jì)算機(jī)控制，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)，它通過若干層材料的堆疊達(dá)到立體效果。

1.2 基本類型

根據(jù)成型工藝的不同，3D打印技術(shù)大體可分為七種基本類型，分別為：光固化成型SLA、熔融層積成型FDM、三維粉末粘接3DP、聚合物噴射Polyjet、選擇性激光燒結(jié)SLS、選擇性熔化成型SLM、分層實(shí)體成型LOM。每種類型都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如：SLA成型速度快、成型精度高，但設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用高，耗材、維護(hù)成本也高；而FDM成型材料種類多、強(qiáng)度高、尺寸也大，但成型時(shí)間較長(zhǎng)、精度不高。因此，在具體的產(chǎn)品制造時(shí)，應(yīng)根據(jù)要求具體分析，選擇最佳的成型工藝。

1.3 主要特點(diǎn)

（1）技術(shù)集成度高，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。3D打印技術(shù)的應(yīng)用使得設(shè)計(jì)與制造融為一體，設(shè)計(jì)方案能很快變成實(shí)物樣品，以便快速驗(yàn)證、定型并得到用戶的確認(rèn)。不需專門的工裝夾具和模具，所需時(shí)間比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法大大縮短。

（2）制造柔性高，能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行反復(fù)修改、核實(shí)和優(yōu)化。傳統(tǒng)制造方法制作樣件的周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，還需要耗費(fèi)較多的時(shí)間進(jìn)行反復(fù)修改和驗(yàn)證。用3D打印技術(shù)只需改CAD數(shù)據(jù)，就可制造不同形狀的零件模型，可在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行多次設(shè)計(jì)迭代、驗(yàn)證，可以得到相當(dāng)完美的設(shè)計(jì)。

（3）可視化程度高，將創(chuàng)意設(shè)計(jì)變成三維實(shí)物，使其可視化，成功地解決了CAD三維造型“看得見、摸不著”的問題。3D打印技術(shù)免除了人們對(duì)復(fù)雜圖紙和三維數(shù)據(jù)的閱讀理解過程，能夠形象、直觀地觀察到所設(shè)計(jì)物體的真實(shí)形狀，特別是復(fù)雜、精細(xì)的產(chǎn)品，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)在0.01mm的厚度上單層600dpi的分辨率。

2 3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用情況

目前，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)有較廣泛的應(yīng)用。2013年，美國(guó)的設(shè)計(jì)公司KOR Ecologic、數(shù)字制造商RedEyeOn Demand以及3D打印制造商Stratsys合作，完成了第一款用3D打印制造的混合動(dòng)力車Urbee2，如圖1所示。該車除了底盤、動(dòng)力系統(tǒng)和電子設(shè)備等，超過50%的部件都是由ABS塑料通過FDM設(shè)備打印而來的。扁平的造型使其風(fēng)阻系數(shù)低達(dá)0.15，重量?jī)H為 550kg。

然而需要指出的是，當(dāng)前3D打印設(shè)備的成型尺寸有限且耗材成本高，大尺寸產(chǎn)品及零部件的一體化打印仍無法實(shí)現(xiàn)。當(dāng)零部件尺寸大于設(shè)備成型尺寸時(shí)，需要對(duì)零部件數(shù)據(jù)進(jìn)行合理拆分，以最經(jīng)濟(jì)的方式打印，完成后仍需進(jìn)行手工拼接，這些要耗費(fèi)大量時(shí)間，如上述Urbee2零部件打印耗時(shí)高達(dá)2500h。這說明著，3D打印技術(shù)無法在短期內(nèi)取代傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝，進(jìn)行產(chǎn)品及零部件的大批量生產(chǎn)。就現(xiàn)階段而言，3D打印技術(shù)適用于汽車造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域和汽車研發(fā)階段，及單件小批量試驗(yàn)件生產(chǎn)，例如汽車油泥模型開發(fā)，車身、內(nèi)外飾、底盤零部件開發(fā)等。目前SLA、FDM及SLS等已有具體應(yīng)用，如表1所示。

圖1 Urbee2混合動(dòng)力車

表1 3D打印技術(shù)應(yīng)在汽車開發(fā)各階段應(yīng)用

3 3D打印技術(shù)應(yīng)用實(shí)例

當(dāng)前汽車造型設(shè)計(jì)的特點(diǎn)就是造型創(chuàng)意多變、開發(fā)周期短。為了滿足不同的創(chuàng)意需求，就需要不斷地改型。雖然目前計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不斷完善，可以完成多角度、多材質(zhì)的三維仿真展示，供評(píng)審人員、設(shè)計(jì)人員現(xiàn)場(chǎng)評(píng)估，確定設(shè)計(jì)方向。但數(shù)字虛擬模型與實(shí)體模型仍存在一定的視覺偏差，在確定關(guān)鍵設(shè)計(jì)方案時(shí)，仍需要做出實(shí)物來驗(yàn)證其外觀形體、質(zhì)感、結(jié)構(gòu)等。對(duì)于形狀、結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜的零件，可以利用3D打印技術(shù)制作出來，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)思想，并利用這些樣件做一些功能性和裝配性檢驗(yàn)。以下以最常見的SLA和FDM為例，介紹3D打印技術(shù)具體應(yīng)用情況。

3.1 SLA應(yīng)用

SLA的特點(diǎn)之一是制作精度高，可以制作精度達(dá)到±0.10mm的樣件，并且與零部件的復(fù)雜程度無關(guān)。其次，SLA的成型能力強(qiáng)，對(duì)細(xì)小的結(jié)構(gòu)、安裝點(diǎn)和裝飾線均能成型。后處理效果逼真，這主要是因?yàn)楣饷魳渲捕炔桓?，易于打磨、修飾，并且制件本身的表面光潔度較好。可制作汽車前后大燈的前罩和后蓋、空調(diào)出風(fēng)口、儀表控制面板等。由于材料的強(qiáng)度比ABS略差，不耐高溫，因此不適合做受力、受熱的功能測(cè)試零件，不能制作電鍍件。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可用透明材料直接成型汽車大燈前罩、透鏡等，通過打磨拋光、噴涂罩光漆，實(shí)現(xiàn)晶瑩剔透的效果。

3.2 FDM應(yīng)用

FDM在成型時(shí)使用兩種材料：①成型材料；②支撐材料。樣件內(nèi)部可以使用網(wǎng)格結(jié)構(gòu)來節(jié)省材料，加快成型速度，由于成型過程中使用水溶性支撐材料，去除方便。成型材料多樣化，有ABS、PC、PP等。成型材料強(qiáng)度高，能夠直接用于裝配驗(yàn)證和功能測(cè)試。汽車造型開發(fā)中運(yùn)用廣泛，用于造型和結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。

大型FDM設(shè)備成型尺寸較大，可以制作接近1m×1m×0.6m的零件，因此可以直接制造方向盤、輪輞、前后組合大燈燈杯等樣件。在超過尺寸出范圍時(shí)，往往通過拼接方式實(shí)現(xiàn)。如車門裝飾板、前后保險(xiǎn)杠模型樣件制作，則需要先將零件在數(shù)據(jù)上分解為3～4個(gè)部分，分別成型，在后期進(jìn)行拼接。由于FDM成型材料ABS具有耐高溫、強(qiáng)度性能優(yōu)良的特性，樣件在拋光后進(jìn)行電鍍、水轉(zhuǎn)印等后處理工藝，效果與量產(chǎn)零件效果接近。如：如汽車中控裝飾板、尾門拉手、商標(biāo)牌等。

在實(shí)際的汽車模型制作過程中，汽車造型設(shè)計(jì)人員不僅僅應(yīng)用上述SLA和FMD兩種工藝來制作模型樣件，Polyjet、SLS等也會(huì)綜合應(yīng)用其中。但是，3D打印技術(shù)仍受成型尺寸的限制，此時(shí)則需要傳統(tǒng)CNC加工的介入，才能順利完成全尺寸模型樣車的制作。

3.3 D打印與CNC加工結(jié)合

3D打印與CNC加工，兩者各有各的優(yōu)勢(shì)，CNC的加工尺寸遠(yuǎn)大于3D打印，而3D打印能夠制造的零件復(fù)雜程度要遠(yuǎn)高于CNC。在汽車造型設(shè)計(jì)的模型制作階段，通常是采用以CNC加工模型主體、3D打印制作精細(xì)件的方式進(jìn)行整車模型制作。圖2分別為汽車外飾模型和內(nèi)飾模型，其主體均采用油泥或聚氨酯代木，通過CNC加工而成，精細(xì)樣件則可使用3D打印技術(shù)。

圖2 3D打印技術(shù)在汽車模型中常見應(yīng)用范圍

最后需要說明的是，上述精細(xì)樣件依然可以通過傳統(tǒng)CNC精細(xì)加工后拼接得到，出于時(shí)間和成本考慮，目前業(yè)內(nèi)主流的汽車模型制作公司仍優(yōu)先采用傳統(tǒng)加工方式，以求更高的效益?？梢姡?D打印技術(shù)是傳統(tǒng)加工方式的一種重要補(bǔ)充，短時(shí)期內(nèi)仍無法取代傳統(tǒng)制造工藝，但3D打印和CNC結(jié)合仍不失為一種非常好的形式。

4 結(jié)論

3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于不受零部件幾何形狀的限制，快速制造出常規(guī)加工技術(shù)加工困難或無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜幾何形狀零件的模型。它能幫助汽車造型設(shè)計(jì)人員快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案并尋找出原設(shè)計(jì)方案的不足或疏漏之處，及時(shí)修改使之完善，減少反復(fù)修改的時(shí)間，從而改變了汽車造型設(shè)計(jì)的工作方式。

在汽車造型設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員需要切合實(shí)際，采用多種制造工藝結(jié)合的方式，3D打印技術(shù)結(jié)合CNC加工技術(shù)，同時(shí)加工小型精細(xì)零件和大型簡(jiǎn)單零件，發(fā)揮各種工藝、設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。只有揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短，才能使整個(gè)造型設(shè)計(jì)過程形象化，最大限度地縮短汽車造型開發(fā)周期，拓展汽車造型設(shè)計(jì)的創(chuàng)意空間。

[1]王宇，張雷.運(yùn)用3D打印技術(shù)下的交通工具設(shè)計(jì)機(jī)會(huì)研究[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2015（06）.

[2]趙婧.3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究與前景展望[D].太原理工大學(xué)，2014，06.

[3]王 強(qiáng)，王守權(quán)，齊曉杰，王佳偉，劉志松.汽車零部件3D快速成型技術(shù)[J].交通科技與經(jīng)濟(jì)，2014（06）.

TP391.73

A

1004-7344（2016）14-0277-02

2016-5-3

鐘偉民（1982-），男，漢族，廣西南寧人，工程師，碩士，主要從事汽車油泥模型開發(fā)、3D打印技術(shù)在汽車造型開發(fā)中的應(yīng)用研究工作。