淺談3D打印技術在汽車研發領域的應用

羅文星　周旭

【摘 要】結合時下相對熱門的3D打印及汽車兩個話題，通過3D打印技術在某汽車研發企業的實際應用，從技術層面分析了適用于汽車研發工作的3D打印技術，并且描述了其適用范圍。

【關鍵詞】3D打印；汽車研發；價值

【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打印技術是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運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構造物體的技術，是一種先進的增材制造方法。3D打印通常是采用數字技術材料打印機來實現的。常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型，后逐漸用于一些產品的直接制造，已經有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在珠寶、鞋類、工業設計、建筑、工程和施工（AEC）、汽車，航空航天、牙科和醫療產業、教育、地理信息系統、土木工程以及其他領域都有所應用。

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

1 3D打印主要技術分類

光固化（SLA—Stereo Lithography Apparatus）

該技術以光敏樹脂為原料，將計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態樹脂逐點掃描，使被掃描區的樹脂薄層產生光聚合反應，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，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樹脂以便進行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上，如此重復直到整個零件原型制造完畢（圖1）。

選擇性激光燒結（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。在工作臺上均勻鋪上一層很薄的粉未，激光束在計算機控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進行燒結，一層完成后再進行下一層燒結。全部燒結完后去掉多余的粉未，再進行打磨、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行粘接或燒結的工藝還正在實驗研究階段（圖2）。

熔融沉積（FDM—Fused Deposition Modeling）

FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料剛好在熔點之上（通常控制在比熔點高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數據控制使半流動狀態的熔絲材料（絲材直徑一般在1.5mm以上）從噴頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層，一層疊一層最后形成整個零件模型（圖3）。

三維打印（3DP—3D Printer）

3DP技術是麻省理工學院發明并申請專利的，由ZCorporation公司進行商業化。該項技術自1994年發明并逐步走向市場后，在近年呈飛速發展趨勢。該種成型工藝的原理是將粉末由儲存桶送出一定分量，再以滾筒將送出之粉末在加工平臺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，加工平臺自動下降一點，儲存桶上升一點，刮刀由升高了的儲存桶把粉末推至工作平臺並把粉末推平，再噴黏著劑，如此循環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，即時打印出彩色工件（圖4）。

Polyjet光固化技術

由以色列Objet開發的Ployjet技術。Polyjet的打印頭類似于行式打印機，沿著X軸前后滑動，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所需的后處理過程。每打印完一層，機器內部的成型底盤就會極為精確地下沉，而噴頭繼續一層一層地工作，直到原型件完成。成型時使用了兩種不同的光敏樹脂材料：一種是用來成型實體部件的成型材料，另一種類膠體的用來支撐部件的支撐材料（圖5）。

2 汽車研發對3D打印的需求

隨著國內汽車市場的飛速增長以及出口量的增加，想要在這塊越做越大的蛋糕中得到自己預期的份額，獲取更多的客戶，除了品牌推廣，價格優勢，性能提高以外，汽車設計以及產品差異化正起著愈發重要的作用，直接表現為汽車外觀的造型，材料的選取，內部結構的合理布置以及性能的改進。同時，為應對殘酷的市場競爭，汽車廠家必須以最低的成本開發出最受歡迎的車型，并且能在第一時間上市，趕在競爭對手的前面，才能夠贏得市場。

采用3D打印技術能夠有效縮短新車型的開發時間及成本，同時還能夠在設計初期獲得產品原型，給汽車研發參與者最直接的感受，從而確保新車型能夠在推出市場后獲得親睞。相信隨著3D打印技術的發展，國內汽車研發單位也充分認識到了3D打印在整車開發過程中的重要作用，進而越來越被廣泛地應用于汽車產品的開發工作當中。

就3D打印最基本的功能而言，可歸納為以下幾點：

1）設計驗證：作為一種可視化模型的制作工具，用于設計驗證、產品評估，在進行大批量生產之前，及時發現產品設計中存在的問題，為設計者及制造者、消費者之間架起一座溝通的橋梁。

2）功能驗證：使用3D打印制作的原型件直接進行裝配檢驗、干涉檢查和模擬產品真實工作情況的一些功能試驗，如運動分析、應力分析、流體和空氣動力學分析等，從而迅速完善產品的結構和性能、相應的工藝及所需模具的設計。

3）可制造性驗證：對于開發結構復雜的新產品，可事先驗證零件的可制造性、零件之間的相互關系以及部件的可裝配性。

4）模具制造：通過3D打印砂模，與傳統制造鑄造工藝相結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，為滿足某汽車研發單位在新車型開發、新總成件開發、展車制作時對樣件的需要，應用3D打印技術是一項提高生產力的基礎方法，可有效幫助汽車研發單位提升開發效率。為了論證3D打印技術實施的必要性，該單位進行了一些基礎數據的分析工作。對該單位2010年到2013年之間零部件委外加工的情況進行分析發現，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、門飾板等內外飾，材料ABS為主，金額占相當大的比列，達到51%；

2）“CNC加工”類主要是發動機懸置支架、壓縮機支架、附件支架、油底殼，材料一般是鋁合金，金額占17%；

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

以上3個委外加工類別，“塑料件快速成型件”的金額超過一半；且對于“CNC”類的金屬零件，如果只需要進行尺寸驗證，是可以用快速成型的塑料件來替代的。而且目前采用新塑料合成材料用于汽車零部件的開發和試制已成為一種新的趨勢，大部分國際汽車廠商都已經在汽車開發過程中引進塑料件快速成型技術。因此，應用非金屬件的3D打印技術無疑成為汽車研發單位的首選。

3 適合于汽車研發的3D打印技術

前文已經介紹了3D打印技術的主要分類，而真正適合汽車研發的3D打印技術有其獨特性。首先，汽車研發過程中需要用到3D打印零件時都幾乎都要求能在最短的時間內能獲得，所以，3D打印成型的速度是首要關注點；其次，汽車零部件不僅需要具備一定的強度和韌性，針對于部分發動機相關零件，如進氣歧管，在做驗證時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需求；再次，汽車零件相對較大，所以，3D打印設備的成型空間必須重點關注；最后，為降低汽車開發成本，3D打印件的成本也是應用單位非常重視的一個因素，這項內容包括3D打印設備的自身價格以及原材料的價格。基于以上這四點，就非金屬件的3D打印技術，選擇了熔融沉積法、光固法以及選擇性激光燒結法這三類進行詳細分析，并選擇目前主流品牌作為參考進行模擬選型對比分析。

4 3D打印在汽車研發中的具體應用案例

4.1 設計驗證

某新車型項目開發過程中需要對其換擋桿球頭造型、門內飾板造型及外后視鏡造型做評審和驗證，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數模進行格式轉換，擺放及切片處理，采用尼龍粉末進行粉末燒結3D打印制作了相應3D打印樣件。通過樣件的打印，實現了多方案的對比，一比一的實物評價，快速的將設計由圖紙變成了實物，使得決策者在不同方案之間可以快速做出選擇。

圖6

4.2 功能測試

某新型發動機在開發過程中需要制作活塞及連桿，用于對其做運動分析。某車型的前格柵需要裝車試驗，對其進氣效率及NVH性能進行分析。某款發動機裝機初期，需要安裝進氣歧管對其進氣量進行分析。此類樣件的需求均由S部門采用粉末燒結3D打印完成樣件的制作，并及時提供給設計部門，有效縮短了零件的開發周期，從而保證了整個項目的開發進度，受到廣泛好評。

圖7

4.3 可裝配性檢驗

某新車型開發過程中，工程師提出需對外后視鏡以及車內飾件的裝配性進行驗證。另外，由底盤及發動機相關零件需要對其裝配性進行驗證。S部門同樣采用了3D打印技術制作小零件，充分驗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，工程師基于此可將該零件的布置進一步優化。

圖8

5 3D打印為汽車研發帶來的價值

以某汽車研發單位為例，3D打印為其帶來的價值可從直接經濟效益和無形價值兩方面進行分析。

5.1 直接經濟效益

隨著企業規模的擴大，新車型項目增多，各車型內外造型也在尋求越來越多的變化，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證。3D打印件的應用范圍逐步增加，參照該單位2014年至2016年擬委外快速成型塑料件金額1060萬元計算，投資收益分析如下。

表2

實例對比：某A車型儀表板總成通過委外銑削快速成型制作費用約為8萬元， 而通過3D打印自加工僅需要材料費七千元（采用粉末燒結3D打印，并考慮材料損耗），加上能耗及人工費用，總成本僅一萬元左右，大大低于委外加工的成本。

5.2 無形價值

縮短了零件的開發周期

以上述某A車型儀表板的制作為例，委外加工周期預計2周左右，如將委外加工的采購流程加上預計接近2個月。而通過3D打印內部制作，制作周期可縮短至1周，流程耗時可忽略不計。依此推算，通過3D打印技術的應用，樣件開發周期可縮短至少三分之二。此項時間的削減，對于整個項目的開發周期而言意義巨大。

屏蔽了數據泄密的風險

以往無論以任何形式外發制作的零件，都存在數據的先期發放問題。尚未定性的設計在整車上市發布之前就提供給外單位，需要承擔嚴重的泄密風險，而此風險的影響甚至無法估量。通過3D打印技術的應用，無需再將數據發送給外單位，從根源上屏蔽了數據泄密的風險。

提升了企業的綜合競爭力

作為汽車研發企業，對于新技術的應用程度無疑是展示其綜合實力的一個重要評價指標。3D打印，作為一項改善生產力，提升整車研發水平和效率的重要技術應用于汽車研發企業可以說（下轉第24頁）（上接第3頁）是如虎添翼，是展示企業的綜合競爭力重要標志。

6 小結

某汽車研發單位通過采用3D打印技術獲得了良好的效益，提升汽車研發效率。但是，在3D打印的使用的使用過程中也發現了一些問題。比如粉末燒結打印方法對于零件的擺放要求較高，不同的擺放方式打印出來的零件存在一定的差異。打印工作對于操作人員的經驗值要求較高，打印件質量可能出現因人而異的情況。諸如此類，需要通過3D打印技術的發展逐步提升。

本文以汽車研發對3D打印技術的應用為切入點，通過實際應用案例闡明3D打印技術在汽車研發過程中的作用，可為汽車研發或相關企業在3D打印技術的選型及應用上提供參考。

【參考文獻】

[1]周偉民，閔國全.3D打印技術[M].科學出版社.

[2]曹明元.3D打印技術概論[M].機械工業出版社.

[責任編輯：田吉捷]