3D打印技術及其對汽車行業的影響

李小慶

摘 要：與傳統加工方式不同，3D打印技術是一種添加制造技術，其工作原理和傳統加工方法也不一樣。3D打印技術常見的有七類，著重介紹了選擇性激光燒結、熔融沉積成型、直接金屬激光燒結、光敏樹脂選擇性固化工藝四種的技術說明、優點、缺點。在汽車行業中，3D打印也有著廣泛的應用，重點說明了汽車整車打印、汽車外形設計、個性化定制汽車等在汽車行業中的應用。作為新型的加工方式，3D打印也存在很多不足之處：打印材料及其強度、打印機速度、打印的價格。

關鍵詞：3D打印技術；汽車行業；影響

與傳統的“去除材料”加工方法不同，被稱為“具有工業革命意義”的3D打印（3D Printing）是一種“添加制造”（Additive Manufacturing）技術。與傳統技術相反，“添加制造”技術是采用層疊方式制造零件的方法。[1]

經過數十年的發展，3D打印技術已經逐步成熟，價格有所下降，應用在多種學科領域上，例如：外科醫生打印器官；產品設計人員將設計的三維模型打印出來，做原型測試等。3D打印行業連續第二年增長達10億美元，總市值在2015年已經接近51.65億美元。[2]

1 3D打印原理

3D打印的步驟通常分為以下四步，如圖1所示。各個步驟的詳細說明如表1所示。[3]

2 常見打印方法

常見的商品化的3D打印機有七類，其中以SLA、SLS、FDM 和DMLS等四類為主[4-5]。這四類打印技術常見的信息如表2所示。根據打印零件的材料、結構、使用條件選擇合適的打印方法。

3 3D打印在汽車產業上的應用

3D打印具有數字制造、降維制造、堆積制造、直接制造、快速制造等特點[1]，在汽車領域有著很廣泛的應用，本文從汽車整車打印、汽車外形設計、個性化定制汽車等方面來說明3D打印在汽車行業的應用。

3.1 汽車整車3D打印

近些年，已有多個公司采用3D打印技術制造汽車整車。表3列舉了汽車整3D打印的歷史，3D打印廠商與汽車廠商的合作越來越緊密，這一合作勢必會推動汽車業的發展。汽車整車打印歷史如表3所示。

3.2 汽車外形設計

在進行一款汽車設計的初期，需要設計汽車的外形。汽車的外形對汽車銷量有著很大的影響，在設計時需要考慮到美學、空氣動力學、汽車的車型、材料工藝、價格成本等。圖3為傳統汽車造型設計流程。

在這個流程中，著重介紹油泥模型。油泥模型就是在數據模型的基礎上，用油泥、泡沫等材料做出實物來。在設計前期做小比例油泥模型，設計后期做1：1的全尺寸油泥模型。全尺寸實物油泥模型，主要作用有兩個：（1）直觀展現出設計師的設計，可以在實物上直接修改。在油泥模型上進行修改是比較容易了，可以直接用刮刀調整汽車造型曲面。（2）對車身外部進行風洞試驗。汽車在行駛過程中，會受到空氣阻力的作用，而且車速越大阻力越大。在設計階段做風洞試驗，就是模擬汽車在高速行駛的情況下，檢測受到的阻力、升力等數據，以便設計人員對車身進行優化。[5]

引入3D打印后，汽車的外形設計流程大大簡化，如圖4所示。

在使用3D打印技術后，不僅僅是設計流程大大簡化，更是節省了大量時間和金錢。如果車型需要修改，只需修改三維模型，打印3D樣車，新車的外形設計就可以完成。在汽車更新換代非常快的今天，采用這種方式設計的汽車廠商，會具有更快的設計周期，更多的產品類型。

3.3 個性化定制汽車

汽車在設計和生產的過程中，設計師要考慮人機工程學來設置汽車座椅高低、儀表盤布置、后視鏡大小等。人機工程學是根據大部分客戶的數據進行測量和統計的，選取最佳的設計方案，無法兼顧每個客戶的需求。每個客戶買的車都是從生產流水線上批量生產，毫無個性化可言，面對自己不喜歡或者是不合適的外形、配置等只能被動的接受。如果客戶在傳統生產方式下要求個性化，則會付出極高的經濟代價。

3D打印技術的出現，讓客戶有了個性化定制汽車的可能。消費者可根據自身條件、性別、動作習慣對廠家提出個性化要求，比如汽車外觀的改變、顏色要求、后排座椅變更、儀表盤排布等。在這種方式下，生產成本不會大幅提高，卻可以給客戶提供個性定制化獨一無二的汽車。

4 目前3D打印技術存在的問題

3D打印技術經過多年的發展，已經有了很大的進步，但是在很多方面和傳統加工方法相比依然存在不足，有以下幾方面問題：

4.1 3D打印材料及其強度

目前3D打印材料主流的是金屬、樹脂、塑料，其他的材料還在研究階段，需要研發出更多的材料才能在更多領域的大規模使用。根據所需零件的要求開發新的材料，并建立材料性能參數、打印方法、打印零件測試方法的數據庫。即便是現在能夠打印出一些金屬零件，但是對于有些零件要求的高強度高韌性金屬材料，現在依然存在技術難點。

3D打印由于采用添加制造的制造，原材料每層之間是疊加的關系，層與層之間的連接不如傳統的鑄鍛焊等加工方法。在垂直層方向上的受拉受壓強度也不如傳統方法。比較多的時候，打印零件只能用做原型，其原因是因為零件表面質量和精度不高。

4.2 3D 打印機速度

3D打印機由于層疊的生產方式，其速度目前還不能滿足大規模生產的需要。零件的打印體積會直接影響材料數量、成本、打印時間比如：如果要打印三倍體積的零件，花費的時間和成本將是原來的27倍，越大的零件將花費更多的時間。

4.3 3D打印的價格。

3D打印采用材料與傳統材料不一樣，單單從經濟的角度考慮，沒有明顯優勢。在3D打印產業化沒有完全形成時，原材料的價格比較高。對于工業生產，3D打印核心設備貴，即3D打印機的投資大，耗材貴。對于企業而言，前期投入非常大，也會造成打印零件價格高。

5 結束語

“具有工業革命意義”的3D打印技術在汽車行業中有著廣泛的應用，汽車整車打印、汽車外形設計、個性化定制汽車等應用已經比較成熟。但3D打印還是存在不少的問題，其打印的材料和強度、打印速度、打印價格有待進一步提高。可以肯定的是在未來汽車行業中，隨著3D打印技術的發展，使用范圍會更加廣闊。

參考文獻

[1]李小麗.3D打印技術及應用趨勢[J].自動化儀表，2014（1）：1-5.

[2]黃健.3D打印技術將掀起“第三次工業革命”[J].新材料產業，2013（1）：62-67.

[3]程美.3D打印技術及其對汽車設計的影響[J].汽車工程師，2015（10）：13-15.

[4]王菊霞.3D打印技術在汽車制造與維修領域應用研究[D].吉林大學，2014.

[5]趙婧.3D打印技術在汽車設計中的應用研究與前景展望[D].太原理工大學，2014.