淺談3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用

羅文星　周旭

【摘 要】結(jié)合時(shí)下相對(duì)熱門的3D打印及汽車兩個(gè)話題，通過3D打印技術(shù)在某汽車研發(fā)企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，從技術(shù)層面分析了適用于汽車研發(fā)工作的3D打印技術(shù)，并且描述了其適用范圍。

【關(guān)鍵詞】3D打印；汽車研發(fā)；價(jià)值

【Abstract】Combined with the 3D print and automobile two relatively popular topic，through 3D printing technology application in an automobile research and development enterprise，from the technical level of 3D printing technology for automotive research and development work，and describes its application scope.

【Key words】3D printing；Automotive research and development；Value

0 引言

3D打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一種，它是一種以數(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，通過逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)，是一種先進(jìn)的增材制造方法。3D打印通常是采用數(shù)字技術(shù)材料打印機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。常在模具制造、工業(yè)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域被用于制造模型，后逐漸用于一些產(chǎn)品的直接制造，已經(jīng)有使用這種技術(shù)打印而成的零部件。該技術(shù)在珠寶、鞋類、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫(yī)療產(chǎn)業(yè)、教育、地理信息系統(tǒng)、土木工程以及其他領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

本文主要是針對(duì)3D打印技術(shù)在汽車在研發(fā)過程中的應(yīng)用情況作一些介紹，通過實(shí)際應(yīng)用案例分析其主要作用及應(yīng)用范圍。

1 3D打印主要技術(shù)分類

光固化（SLA—Stereo Lithography Apparatus）

該技術(shù)以光敏樹脂為原料，將計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)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(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)工作臺(tái)，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。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢（圖1）。

選擇性激光燒結(jié)（SLS—Se1ected Laser Sintering）

該法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄的粉未，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié)，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié)。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉未，再進(jìn)行打磨、烘干等處理便獲得零件。目前，成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的工藝還正在實(shí)驗(yàn)研究階段（圖2）。

熔融沉積（FDM—Fused Deposition Modeling）

FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通常控制在比熔點(diǎn)高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料（絲材直徑一般在1.5mm以上）從噴頭中擠壓出來(lái)，凝固形成輪廓形狀的薄層，一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型（圖3）。

三維打印（3DP—3D Printer）

3DP技術(shù)是麻省理工學(xué)院發(fā)明并申請(qǐng)專利的，由ZCorporation公司進(jìn)行商業(yè)化。該項(xiàng)技術(shù)自1994年發(fā)明并逐步走向市場(chǎng)后，在近年呈飛速發(fā)展趨勢(shì)。該種成型工藝的原理是將粉末由儲(chǔ)存桶送出一定分量，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺(tái)上鋪上一層很薄的原料，噴嘴依照3D電腦模型切片后獲得的二維層片信息噴出黏著劑，黏著粉末.做完一層，加工平臺(tái)自動(dòng)下降一點(diǎn)，儲(chǔ)存桶上升一點(diǎn)，刮刀由升高了的儲(chǔ)存桶把粉末推至工作平臺(tái)並把粉末推平，再噴黏著劑，如此循環(huán)便可得到所要的形狀。常用的ZCorp立體打印材料是石膏粉及淀粉，但亦有其他材料可供選用，如彈性塑料等。更有多種顏色的墨水可供選擇，甚至可更換彩色墨頭，即時(shí)打印出彩色工件（圖4）。

Polyjet光固化技術(shù)

由以色列Objet開發(fā)的Ployjet技術(shù)。Polyjet的打印頭類似于行式打印機(jī)，沿著X軸前后滑動(dòng)，在成型室里鋪上一層超薄的光敏樹脂。每鋪完一層后，噴頭架邊上的紫外光球立即發(fā)射紫外光，快速固化和硬化每層光敏樹脂。這一步驟減少了使用其他技術(shù)所需的后處理過程。每打印完一層，機(jī)器內(nèi)部的成型底盤就會(huì)極為精確地下沉，而噴頭繼續(xù)一層一層地工作，直到原型件完成。成型時(shí)使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來(lái)成型實(shí)體部件的成型材料，另一種類膠體的用來(lái)支撐部件的支撐材料（圖5）。

2 汽車研發(fā)對(duì)3D打印的需求

隨著國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)的飛速增長(zhǎng)以及出口量的增加，想要在這塊越做越大的蛋糕中得到自己預(yù)期的份額，獲取更多的客戶，除了品牌推廣，價(jià)格優(yōu)勢(shì)，性能提高以外，汽車設(shè)計(jì)以及產(chǎn)品差異化正起著愈發(fā)重要的作用，直接表現(xiàn)為汽車外觀的造型，材料的選取，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的合理布置以及性能的改進(jìn)。同時(shí)，為應(yīng)對(duì)殘酷的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，汽車廠家必須以最低的成本開發(fā)出最受歡迎的車型，并且能在第一時(shí)間上市，趕在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的前面，才能夠贏得市場(chǎng)。

采用3D打印技術(shù)能夠有效縮短新車型的開發(fā)時(shí)間及成本，同時(shí)還能夠在設(shè)計(jì)初期獲得產(chǎn)品原型，給汽車研發(fā)參與者最直接的感受，從而確保新車型能夠在推出市場(chǎng)后獲得親睞。相信隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)汽車研發(fā)單位也充分認(rèn)識(shí)到了3D打印在整車開發(fā)過程中的重要作用，進(jìn)而越來(lái)越被廣泛地應(yīng)用于汽車產(chǎn)品的開發(fā)工作當(dāng)中。

就3D打印最基本的功能而言，可歸納為以下幾點(diǎn)：

1）設(shè)計(jì)驗(yàn)證：作為一種可視化模型的制作工具，用于設(shè)計(jì)驗(yàn)證、產(chǎn)品評(píng)估，在進(jìn)行大批量生產(chǎn)之前，及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中存在的問題，為設(shè)計(jì)者及制造者、消費(fèi)者之間架起一座溝通的橋梁。

2）功能驗(yàn)證：使用3D打印制作的原型件直接進(jìn)行裝配檢驗(yàn)、干涉檢查和模擬產(chǎn)品真實(shí)工作情況的一些功能試驗(yàn)，如運(yùn)動(dòng)分析、應(yīng)力分析、流體和空氣動(dòng)力學(xué)分析等，從而迅速完善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能、相應(yīng)的工藝及所需模具的設(shè)計(jì)。

3）可制造性驗(yàn)證：對(duì)于開發(fā)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的新產(chǎn)品，可事先驗(yàn)證零件的可制造性、零件之間的相互關(guān)系以及部件的可裝配性。

4）模具制造：通過3D打印砂模，與傳統(tǒng)制造鑄造工藝相結(jié)合制造模具和金屬零件。比如由3D打印制作真空鑄造件和熔模鑄造件的母模，直接制造注塑模等。

基于上述3D打印的功能，為滿足某汽車研發(fā)單位在新車型開發(fā)、新總成件開發(fā)、展車制作時(shí)對(duì)樣件的需要，應(yīng)用3D打印技術(shù)是一項(xiàng)提高生產(chǎn)力的基礎(chǔ)方法，可有效幫助汽車研發(fā)單位提升開發(fā)效率。為了論證3D打印技術(shù)實(shí)施的必要性，該單位進(jìn)行了一些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析工作。對(duì)該單位2010年到2013年之間零部件委外加工的情況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，委外加工工作基本分成以下三類：

1）“塑料快速成型件”類主要是儀表板、立柱飾板、大燈、前格柵、門飾板等內(nèi)外飾，材料ABS為主，金額占相當(dāng)大的比列，達(dá)到51%；

2）“CNC加工”類主要是發(fā)動(dòng)機(jī)懸置支架、壓縮機(jī)支架、附件支架、油底殼，材料一般是鋁合金，金額占17%；

3）“其它”類別的委外項(xiàng)目，主要包括線束、組合儀表、變速機(jī)構(gòu)、模型加工等改制項(xiàng)目，金額占32%。

以上3個(gè)委外加工類別，“塑料件快速成型件”的金額超過一半；且對(duì)于“CNC”類的金屬零件，如果只需要進(jìn)行尺寸驗(yàn)證，是可以用快速成型的塑料件來(lái)替代的。而且目前采用新塑料合成材料用于汽車零部件的開發(fā)和試制已成為一種新的趨勢(shì)，大部分國(guó)際汽車廠商都已經(jīng)在汽車開發(fā)過程中引進(jìn)塑料件快速成型技術(shù)。因此，應(yīng)用非金屬件的3D打印技術(shù)無(wú)疑成為汽車研發(fā)單位的首選。

3 適合于汽車研發(fā)的3D打印技術(shù)

前文已經(jīng)介紹了3D打印技術(shù)的主要分類，而真正適合汽車研發(fā)的3D打印技術(shù)有其獨(dú)特性。首先，汽車研發(fā)過程中需要用到3D打印零件時(shí)都幾乎都要求能在最短的時(shí)間內(nèi)能獲得，所以，3D打印成型的速度是首要關(guān)注點(diǎn)；其次，汽車零部件不僅需要具備一定的強(qiáng)度和韌性，針對(duì)于部分發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零件，如進(jìn)氣歧管，在做驗(yàn)證時(shí)還需要具有較高的耐熱性，熱變形溫度通常不低于120℃，因此，3D打印所用的材料特性必須滿足相應(yīng)需求；再次，汽車零件相對(duì)較大，所以，3D打印設(shè)備的成型空間必須重點(diǎn)關(guān)注；最后，為降低汽車開發(fā)成本，3D打印件的成本也是應(yīng)用單位非常重視的一個(gè)因素，這項(xiàng)內(nèi)容包括3D打印設(shè)備的自身價(jià)格以及原材料的價(jià)格。基于以上這四點(diǎn)，就非金屬件的3D打印技術(shù)，選擇了熔融沉積法、光固法以及選擇性激光燒結(jié)法這三類進(jìn)行詳細(xì)分析，并選擇目前主流品牌作為參考進(jìn)行模擬選型對(duì)比分析。

4 3D打印在汽車研發(fā)中的具體應(yīng)用案例

4.1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

某新車型項(xiàng)目開發(fā)過程中需要對(duì)其換擋桿球頭造型、門內(nèi)飾板造型及外后視鏡造型做評(píng)審和驗(yàn)證，委托S部門采用3D打印的方法制作了幾套樣件。3D打印制作人員通過對(duì)數(shù)模進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，擺放及切片處理，采用尼龍粉末進(jìn)行粉末燒結(jié)3D打印制作了相應(yīng)3D打印樣件。通過樣件的打印，實(shí)現(xiàn)了多方案的對(duì)比，一比一的實(shí)物評(píng)價(jià)，快速的將設(shè)計(jì)由圖紙變成了實(shí)物，使得決策者在不同方案之間可以快速做出選擇。

圖6

4.2 功能測(cè)試

某新型發(fā)動(dòng)機(jī)在開發(fā)過程中需要制作活塞及連桿，用于對(duì)其做運(yùn)動(dòng)分析。某車型的前格柵需要裝車試驗(yàn)，對(duì)其進(jìn)氣效率及NVH性能進(jìn)行分析。某款發(fā)動(dòng)機(jī)裝機(jī)初期，需要安裝進(jìn)氣歧管對(duì)其進(jìn)氣量進(jìn)行分析。此類樣件的需求均由S部門采用粉末燒結(jié)3D打印完成樣件的制作，并及時(shí)提供給設(shè)計(jì)部門，有效縮短了零件的開發(fā)周期，從而保證了整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)進(jìn)度，受到廣泛好評(píng)。

圖7

4.3 可裝配性檢驗(yàn)

某新車型開發(fā)過程中，工程師提出需對(duì)外后視鏡以及車內(nèi)飾件的裝配性進(jìn)行驗(yàn)證。另外，由底盤及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)零件需要對(duì)其裝配性進(jìn)行驗(yàn)證。S部門同樣采用了3D打印技術(shù)制作小零件，充分驗(yàn)證了總成件的可裝配性。另外，通過裝配，使得總成件在車身的布置位置直觀展現(xiàn)，工程師基于此可將該零件的布置進(jìn)一步優(yōu)化。

圖8

5 3D打印為汽車研發(fā)帶來(lái)的價(jià)值

以某汽車研發(fā)單位為例，3D打印為其帶來(lái)的價(jià)值可從直接經(jīng)濟(jì)效益和無(wú)形價(jià)值兩方面進(jìn)行分析。

5.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

隨著企業(yè)規(guī)模的擴(kuò)大，新車型項(xiàng)目增多，各車型內(nèi)外造型也在尋求越來(lái)越多的變化，而且有些金屬支架類的零件也可以用塑料成型件做為開模前尺寸的驗(yàn)證。3D打印件的應(yīng)用范圍逐步增加，參照該單位2014年至2016年擬委外快速成型塑料件金額1060萬(wàn)元計(jì)算，投資收益分析如下。

表2

實(shí)例對(duì)比：某A車型儀表板總成通過委外銑削快速成型制作費(fèi)用約為8萬(wàn)元， 而通過3D打印自加工僅需要材料費(fèi)七千元（采用粉末燒結(jié)3D打印，并考慮材料損耗），加上能耗及人工費(fèi)用，總成本僅一萬(wàn)元左右，大大低于委外加工的成本。

5.2 無(wú)形價(jià)值

縮短了零件的開發(fā)周期

以上述某A車型儀表板的制作為例，委外加工周期預(yù)計(jì)2周左右，如將委外加工的采購(gòu)流程加上預(yù)計(jì)接近2個(gè)月。而通過3D打印內(nèi)部制作，制作周期可縮短至1周，流程耗時(shí)可忽略不計(jì)。依此推算，通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，樣件開發(fā)周期可縮短至少三分之二。此項(xiàng)時(shí)間的削減，對(duì)于整個(gè)項(xiàng)目的開發(fā)周期而言意義巨大。

屏蔽了數(shù)據(jù)泄密的風(fēng)險(xiǎn)

以往無(wú)論以任何形式外發(fā)制作的零件，都存在數(shù)據(jù)的先期發(fā)放問題。尚未定性的設(shè)計(jì)在整車上市發(fā)布之前就提供給外單位，需要承擔(dān)嚴(yán)重的泄密風(fēng)險(xiǎn)，而此風(fēng)險(xiǎn)的影響甚至無(wú)法估量。通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，無(wú)需再將數(shù)據(jù)發(fā)送給外單位，從根源上屏蔽了數(shù)據(jù)泄密的風(fēng)險(xiǎn)。

提升了企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力

作為汽車研發(fā)企業(yè)，對(duì)于新技術(shù)的應(yīng)用程度無(wú)疑是展示其綜合實(shí)力的一個(gè)重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。3D打印，作為一項(xiàng)改善生產(chǎn)力，提升整車研發(fā)水平和效率的重要技術(shù)應(yīng)用于汽車研發(fā)企業(yè)可以說(shuō)（下轉(zhuǎn)第24頁(yè)）（上接第3頁(yè)）是如虎添翼，是展示企業(yè)的綜合競(jìng)爭(zhēng)力重要標(biāo)志。

6 小結(jié)

某汽車研發(fā)單位通過采用3D打印技術(shù)獲得了良好的效益，提升汽車研發(fā)效率。但是，在3D打印的使用的使用過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題。比如粉末燒結(jié)打印方法對(duì)于零件的擺放要求較高，不同的擺放方式打印出來(lái)的零件存在一定的差異。打印工作對(duì)于操作人員的經(jīng)驗(yàn)值要求較高，打印件質(zhì)量可能出現(xiàn)因人而異的情況。諸如此類，需要通過3D打印技術(shù)的發(fā)展逐步提升。

本文以汽車研發(fā)對(duì)3D打印技術(shù)的應(yīng)用為切入點(diǎn)，通過實(shí)際應(yīng)用案例闡明3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)過程中的作用，可為汽車研發(fā)或相關(guān)企業(yè)在3D打印技術(shù)的選型及應(yīng)用上提供參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周偉民，閔國(guó)全.3D打印技術(shù)[M].科學(xué)出版社.

[2]曹明元.3D打印技術(shù)概論[M].機(jī)械工業(yè)出版社.

[責(zé)任編輯：田吉捷]