3D打印在汽車制造中的應用

東風汽車公司 崔厚學 高方勇

華中科技大學 魏青松

3D打印在汽車制造中的應用

東風汽車公司 崔厚學 高方勇

華中科技大學 魏青松

“中國制造2025-節能與新能源汽車”，從車身制造更優質、高效、柔性化、低成本和安全、節能、環保等方面對連接技術提出了更高要求。本文結合這一新形勢，對3D打印技術在中國汽車工業中的應用現狀做了詳細闡述，對其前景進行了簡要分析和展望。

3D打印技術是基于分層迭加的快速成型，又名增材制造，是利用三維設計數據在一臺設備上由程序控制快速、精準地制造出任意復雜形狀的零件，從而實現設計和制造的數字化及“自由制造”（原理見圖1）。3D打印可解決復雜結構零件的成形問題，大大減少加工工序，縮短加工周期，被認為是制造領域的一次重大突破，也被譽為“第三次工業革命“的重要生產工具。

據《Wohlers Report 2015》顯示，自1988年以來，全球3D打印技術產值一直保持著25%以上的年均增長率，而2014年這一數字更是高達35.2%，達到41億美元。其中汽車及運輸行業的份額高達31.7%，幾乎占據了3D打印市場的三分之一。

目前在汽車行業應用最為廣泛成熟的3D打印技術有選擇性激光燒結（SLS）、立體平板印刷（SLA）、無模鑄型（P C M）、熔融沉積（FDM）、噴墨式粉末粘接（IPB）等。

1.3D打印技術在汽車研發和制造領域大有可為

（1）3D打印技術輔助新車型的快速開發，大大縮短開發周期和降低成本。3D打印技術無需制造模具、刀具和夾具，省去零件圖形轉換、模具設計與制造以及切屑、鍛造和鑄造等繁瑣加工工序，極大減少了人力和物力的投入，并顯著縮短周期。在汽車新車型研發階段，運用3D打印技術可快速驗證和優化零部件結構，特別是快速驗證和定型復雜功能部件（如發動機、變速器、底盤等）。

圖1 3D打印技術基本原理

（2）3D打印突破了制造局限，可促使產品設計由面向制造工藝的設計轉向面向零件性能的最優化設計，從設計源頭改善汽車性能。隨著汽車輕量化、低排放、節能和新能源等需求的不斷提升，汽車零件結構（如自由曲面、內流道、多層嵌套結構、多部件組合等）越來越復雜，尺寸極限要求（如薄壁、變壁厚等）越來越突出，新材料不斷涌現，導致傳統模具、刀具以及鑄鍛焊等制造工藝難度越來越大。為了適應加工工藝要求，汽車某些結構、尺寸和材料只能采取一定程度的讓步設計或次優設計，從而降低了零部件甚至是整車性能。應用3D打印技術可以制造出高比表面積多孔柵格、復雜內流道甚至是內空結構、復雜自由型面和變壁厚、多組件免組裝、以及多材料、梯度材料和梯度結構等難成形的零件結構，應用于汽車發動機、變速器、底盤、三元催化器陶瓷體等功能性零部件。3D打印技術應用在新型電動汽車車身及其零部件的研發和制造中，不但可以解決復雜零件的制造難題，還可以從設計源頭優化零件和汽車整體性能。

（3）3D打印可實現多品種車型的快速開發以及個性化車型的快速低成本訂制。隨著社會經濟和人們生活水平的不斷提升，個性化消費需求越來越顯著。汽車作為個人和家庭消費品表現得尤為突出，如個性突出的車燈、形狀和結構異類的車身、變化多端的內飾等等。3D打印技術可以很方便地滿足這些制造需求。例如，利用3D打印可以在車胎表面刻上客戶名字或人像，從而在雪地或沙漠里行駛中留下自己的“足跡”。3D打印技術還可以靈活制造適應不同氣候和地理條件的輪胎花紋，從而提高輪胎安全系數、耐磨程度以及滾動效率，在彰顯個性的同時還賦予特殊的服役性能。

（4）3D打印技術在汽車制造的深度應用可促進汽車低能耗、低排放和綠色化的發展。3D打印技術可以實現最優性能設計的結構制造，從結構上實現最大程度的輕量化。同時，基于3D打印技術，可以設計和制造最優工作性能的發動機缸體、燃油噴嘴、燃燒室、變速傳動機構以及底盤等功能性零部件，制造具有最優空氣動力學特性的車身等。從零部件的結構和功能優化上提升整車性能，降低燃油消耗，減少排放，實現綠色制造，滿足使用需求。

2.3D打印技術國外研究現狀

國外汽車工業發達國家已利用3D打印技術輔助汽車造型和新功能驗證以及復雜結構零件、多材料零件、輕量化結構的快速制造。國際汽車知名生產商如奧迪、寶馬、奔馳、美洲豹、通用、大眾、豐田和保時捷等已經在汽車的研發階段大量使用3D打印技術。

3D打印在汽車領域中的應用主要集中在設計驗證和零件制造上。設計驗證包括快速原型、概念模型和功能部件設計。

（1）設計驗證。快速原型方面，美國Stratasys公司為賓利定制了汽車輪胎原型，輪胎與輪轂一次性制造完成，與原車的輪胎大小為1∶1；采用Vero Grey材料24 995g，制造時間為188h 28min，支撐材料消耗了27 413g；另外，還制造了具有支撐結構的車墊，汽車墊子下方采用硬的塑料Vero Clear，上面是可以折疊的Tango Black Plus橡膠材料，以1∶1制造原型的尺寸為1 000mm×800mm×500mm，制造時間為11h49min，消耗Tango Black Plus材料4 882g、Vero Clear材料848g，支撐材料消耗了12 936g。

概念模型方面，Local Motors率先將直接數字制造（DDM）的概念用于3D打印汽車Strati，由美國橡樹嶺國家實驗室領頭研發的BAAM（大尺寸增材制造）設備用于實際生產。Strati的車身主體是一體的，采用碳纖維增強ABS塑料以每小時40磅（1磅=0.454kg）的沉積速率打印，可拆卸的座椅可以讓客戶方便選擇自己喜歡的內飾顏色和材質來打印。與上述的Local Motors的塑料車身不同，超級轎跑Blade的車身及主體部件由鋁合金和碳纖維組成，主體部件重量只有1 400磅。汽車底盤由大約70個3D打印的鋁節點組成，本身的質量只有61磅。它的加速度比邁凱輪P1更大，功率質量比是布加迪威龍的2倍。它能夠在短短2.2s內從0加速至60英里/h（邁凱輪P1的這個數字是2.8s）。

功能部件方面，豐田汽車與Materialise共同設計的汽車座椅質量更輕，舒適感更強。汽車座椅低重力密度區域的鏤空處理，創造了更大的散熱能力，節省大量的材料。汽車座椅的質量減少了高達72%，比原來輕了18kg。歐洲賽車通過3D打印技術制造發動機氣缸蓋，顯著提高了氣缸蓋的表面散熱面積，減少振動和質量。結果顯示，質量減少了66%，體積減少了65%，表面積增加了86%，冷卻效果更顯著。此外，通過3D打印生產熱交換器，與傳統減材制造方法相比，不但減少了質量，同時提高了熱交換接觸效率，提升了熱交換器的整體性能。

（2）零件制造。汽車零件的制造包括間接制造和直接制造兩種方法。間接制造主要是與鑄造、注塑等傳統工藝相結合，輔助發動機缸體缸蓋以及車燈罩等零部件的快速開發。美國福特公司采用3D打印與鑄造結合的方式完成了Eco Boost引擎的氣缸蓋的制造，省去了對缸蓋砂芯模具加工的過程，將制造周期縮短了25%～40%。

直接制造方面，寶馬賽車動力系統采用了金屬3D打印水泵輪，實現水泵輪的快速迭代和個性化定制，且無需生產模具，零部件修改的成本接近零；豐田22RE發動機采用PLA材料進行打印，消耗約1kg，發動機被分解為80個零件，打印時間為34h，其中引擎頂部的部分就花了20h；賓利在Speed 6概念車上大膽嘗試3D打印技術，車門鉸鏈用金屬3D打印，其鏤空的結構看起來就像是一面抽象的英國國旗；德國獨立汽車設計公司EDAG從葉子中汲取靈感，利用3D打印汽車外殼仿生“骨架”，經拓撲仿生學優化的車骨骼結構在承載力低的地方減少材料密度，在承載力高的地方提高材料密度，從而成為一種輕質、高效的汽車；北美車展上由加州設計團隊完成的起亞Telluride，其部分配件采用3D打印技術生產，包括車門、方向盤以及儀表盤等位置的零部件；別克Avista概念車車身采用部分3D打印材料，質量更輕；奧迪采用鋁和鈦金屬材料制造了第一輛3D打印月球車Audi Lunar Quattro，計劃最早于2017年發射。

3.3D打印技術國內研究現狀

我國很早就開始應用3D技術輔助新車型的開發，包括快速原型、與鑄造等傳統工藝結合、金屬直接制造等，實現快速定型，輔助發動機缸體缸蓋以及車燈罩等零部件的快速開發。

非金屬樣件方面，東風汽車公司采用選擇性激光燒結SLS技術制造了中冷器進氣管（塑料管），該樣件為中空異形管件，且一端有四個凸起的盲管。若采用CNC工藝，無法整體制作，必須拆分為若干片，再粘接為總成，產品強度差；采用選擇性激光固化SLA技術制造進氣歧管，樣件結構復雜。用其他方式制作原型加工困難且成本高，采用SLA工藝一方面精度完全滿足要求，另一方面成本相對較低.結合硅膠模真空澆注工藝，既可以滿足設計變更的要求，又能較好地節約試制成本。

金屬樣件方面，東風汽車公司采用選擇性激光燒結SLS工藝和鑄造結合制造分動箱殼體，采用選擇性激光熔化SLM 3D打印制造了加油管、蓋、鎖芯和鎖套部件。華中科技大學、西安交通大學以及北京隆源自動成型系統有限公司在2000年左右就開始利用3D打印技術輔助發動機缸體缸蓋鑄造用砂型和蠟模的快速制造，在縮短關鍵零部件開發周期和成本方面作用明顯。

我國3D打印技術從20世紀90年代起步，經過了二十多年的發展，形成了一批具有一定研究規模和實力的科研單位及基地，并且各單位都發展出各具特色的3D打印技術或裝備。華中科技大學在激光燒結/熔化（SLS/SLM）、三維打印（3DP）裝備方面，西安交通大學在光固化（SLA）技術與裝備、激光近成型（LENS）方面，清華大學在熔融沉積（FDM)、電子束制造(EBM)技術與裝備方面，華南理工大學在激光熔化（SLM），北京航空航天大學在激光近成型（LENS）技術與裝備，西北工業大學在激光近成型（LENS）技術與裝備方面，中航工業航空制造研究所在電子束制造（EBM）技術與裝備方面都進行了多年潛心探索，取得了不俗的研究成果。此外，西北有色金屬研究院、沈陽自動化研究所、南京航空航天大學、上海交通大學等一批科研院所都在開展3D打印制造理論、工藝及應用研究。

在3D打印高端裝備方面，面向國家需求，適應我國應用特點，研發的增材制造技術與裝備形成了鮮明特色，部分指標達到了世界領先水平。例如華中科技大學最早研制了0.4m×0.4m工作面的SLS裝備，2002年將工作臺面升至0.5m×0.5m，已超過當時國外SLS裝備的最大成形范圍（美國DTM公司，現已并入美國3D Systems公司，研制的SLS設備最大工作臺面為0.375m×0.33m）。在2005年，該單位通過對高強度成形材料、大臺面預熱技術以及多激光高效掃描等關鍵技術的研究，陸續推出了1m×1m、1.2m×1.2m、1.4m×0.7m等系列大臺面SLS裝備，在成形尺寸方面遠超國外同類技術，在成形大尺寸零件方面具有世界領先水平，形成了一定的產品特色。北京航空航天大學、西北工業大學研發的激光近成型（LENS）裝備，其成形效率超過了國外同類水平，在制造飛機、發動機、燃氣輪機等重大工業裝備大型金屬構件方面具有世界領先水平。

目前3D打印在航空航天、生物醫療等具有高附加值的領域有大量的應用案例，例如北京航空航天大學、西北工業大學研發的LENS技術在航空航天獲得應用，解決了一批重大問題；西交大3D打印在生物醫療方面獲得廣泛應用。在汽車領域，一些科研機構及有實力的公司企業也進行了一些探索。例如大型砂型的制造一直是困擾汽車開發的瓶頸。但砂型由于材料的原因實現牢靠拼裝都十分困難。圖3即為華中科技大學為某柴油發動機企業整體制造的六缸發動機缸蓋水套砂芯（外形尺寸約1 100mm×400mm×283 mm，壁厚最薄5mm）。采用傳統的砂型鑄造試制方法，僅工裝模具的設計制造周期通常需要5個月左右，不僅周期長，而且費用高達150～200萬元；加上其他開發過程，整個試制過程周期漫長、嚴重制約了發動機的開發進程。采用了SLS技術，一個星期左右即成形出了整套砂芯，砂芯強度好、精度滿足要求，組裝合箱后進行澆注，獲得合格缸蓋鑄件。

我國在相關科技計劃的持續支持下，研發出一批3D打印裝備，形成了華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室、西安交通大學制造系統工程國家重點實驗室和快速制造國家工程研究中心以及北京航空航天大學大型金屬構件增材制造國家工程實驗室等一批國家級研究基地。研究成果已在航空航天產品直接制造、汽車模具和人體植入體個性化制造等方面得到了應用，具備良好研發基礎。

在巨大市場的培育下，我國已形成了多個3D打印制造基地，一批專業化的3D打印企業發展迅速，如武漢華科三維、陜西恒通、西安鉑力特、中航天地激光等。金屬高性能3D打印結構件已經在多種型號的先進軍用飛機上獲得小批量裝機應用，航空發動機新型空心渦輪葉片設計已普遍采用金屬激光3D打印技術來顯著縮短開發周期（一次技術迭代周期從一年縮短到不足一個月），3D打印鑄造砂型已應用于汽車和柴油機行業的復雜發動機缸體缸蓋的快速制造和研發設計。但與世界先進水平相比，我國的原始創新不多，技術鏈不夠完整，產業發展（包括3D打印技術本身及工業應用兩方面的產業）與美國和德國相比差距十分顯著，特別是3D打印在汽車制造中的應用差距尤為明顯。

圖2 裝配后整套六缸發動機缸蓋砂芯和蠕鐵六缸發動機缸蓋

4.3D打印技術在汽車制造的應用發展趨勢和研究課題

汽車行業包含產品研發和工業化生產兩個方面。研發階段就是將先進概念、設計轉化為產品的階段，對制造的要求是在最短的時間里制造出最能滿足設計意圖的多種方案的產品，并盡可能地減少制造成本。而工業化生產需要滿足批量的需求，更加關注生產效率、節拍、單件成本及產品一致性。

（1）基于3D打印技術的汽車快速研發。

汽車研發有其研發流程和體系。在商品概念階段主要進行樣車的設計和外觀零部件造型的設計，需要制作模型進行造型評審。在工程設計階段主要進行人機布置設計和零部件的結構尺寸設計，需要制作樣件進行人機工程驗證和尺寸驗證。這兩個階段一般對產品的外觀有較高的要求，但對零件的性能基本沒有要求，且零件制造數量較少，一般僅需1～2件即可。而在原型車制造階段主要進行零部件的試制和原型車的裝配。由于該階段的原型車需要完成各種試驗和標定，因此，無論對整車還是零部件都有較高的性能要求，部分零部件亦有較高的外觀要求，并且此階段需要制造的產品數量一般從十幾件到幾十件不等，屬于小批量制造。

基于3D打印技術的特點和目前發展水平，在商品概念階段和工程設計階段較適于采用3D打印直接獲得產品的方式；而在原型車制造階段較適于采用3D打印間接獲得產品的方式。

儀表板屬大型復雜薄壁件，是汽車主要非金屬零件之一。由于其尺寸和結構的限制，CNC加工很難一次成型，需要分塊加工后粘接打磨成型，其尺寸精度和強度都會受到影響。同時由于結構復雜，加工成本高、周期長，投入簡易注塑模具雖然可以一體成型，但由于尺寸較大，模具成本接近百萬，在研發階段產品存在較大設變可能的情況下，風險較高。而采用3D打印工藝制作樣件既可以一體成型，確保零件尺寸精度和強度，又可顯著降低試制費用。

儀表板可采用SLA和SLS技術。SLA技術制作的樣件表面質量更好，但強度相對較低，且光敏材料存放后易出現老化變形問題，因此適合造型驗證階段使用；而SLS技術制作的樣件表面質量相對較差，但強度高且不易變形，可以滿足裝車和部分整車實驗要求。

3D打印技術在汽車快速研發階段的主要任務有：結構驗證，功能驗證，新材料/設計驗證，制訂檢測與標準等。

3D打印汽車零部件快速研發課題主要有：汽車發動機缸體高效隨形冷卻水道設計方法，高效燃油效率一體化噴嘴結構設計方法，汽車傳動機構免組裝設計方法，汽車車身、底盤最優性能設計方法，汽車承重結構輕量化設計方法，汽車內飾人體工程學優化設計方法，3D打印工藝的汽車復雜零部件快速定型工藝，汽車發動機缸體缸蓋鑄造熔模/砂型3D打印技術，汽車復雜鍛件、鑄件、塑料件模具3D打印技術等。

（2）汽車零部件3D打印間接制造技術。

3D打印技術無需任何模具或金屬加工，省去了模具開發、鍛造和鑄造等繁瑣的工序，也減少了中間環節大量的人員、資金和設備的投入。目前，汽車零件生產所需的模具開發周期通常在45天以上，而3D打印技術根據所加工零部件的復雜程度，一般只需1～7天即可完成零件的生產工作。隨著汽車朝著輕量化與功能化的發展，很多汽車零部件形狀越來越復雜，導致模具制造難度越來越高，傳統模具方法無法整體加工型芯和型腔，采用3D打印技術，不僅可以實現整體加工，且縮短加工時間、降低成本、提高壽命。

3D打印技術在汽車零部件間接制造方面的主要任務有：復雜熔模高效3D打印技術，如發動機缸體/缸蓋（一般鑄造鋁合金）、分動箱等大總成殼體（一般鑄造鋁合金）、懸架安裝支架、鉸鏈等（鑄鋼）；復雜砂型高效3D打印技術，如三角臂/轉向節/制動盤（鑄鐵）、發動機缸體/缸蓋（鑄鐵/一般鑄造鋁合金）、分動箱等大總成殼體（一般鑄造鋁合金）；復雜金屬模具3D打印技術如：A/B柱/前防撞梁熱沖壓成型模具（H13等熱作模具鋼）等。

（3）汽車零部件3D打印直接制造技術。

利用3D打印技術在保證零件性能的同時，可加工鏤空結構，降低汽車自重，是提高汽車燃油經濟性的一個重要措施；同時利用3D打印的優勢，根據空氣動力學的各項特性指標優化車身設計，降低汽車的燃油消耗，減少排放，滿足綠色化的需求。

3D打印技術在汽車零部件直接制造方面的主要任務有：非金屬件制造，如保險杠蒙皮（增韌聚丙烯：PP+EPDM-TD15）、進氣歧管（玻纖增強尼龍：PA6-GF30）、燈具（亞克力：PMMA；聚碳酸酯：PC；丙烯氰-丁二烯-苯乙烯共聚物：ABS；聚對苯二甲酸丁二醇：PBT；塊狀模塑料：BMC）等；金屬零件制造如鎖芯鎖套、噴油器（45#鋼、鋅合金等）、懸架安裝支架、鉸鏈等（鑄鋼）等；個性化制造；整體制造如電動汽車輕質高強復合材料零部件以及整車外殼的3D打印，新能源汽車用復合材料整體構件的集約式、高效率3D打印制造等；輕量化制造；高端車、概念車應用示范。

汽車功能零部件3D打印直接制造技術研究課題有：如汽車塑料、金屬及復合材料零件3D打印直接制造技術，多路管、內流道、自由曲面、多組件等復雜功能零部件3D打印整體制造技術，汽車承重件柵格輕量化結構3D打印技術，汽車梯度材料/結構零件3D打印技術，汽車高性能動力/傳動/承重等功能部件直接3D打印技術等。

5.結語

隨著新車型更新換代加快和智能化、綠色化制造的要求，3D打印技術在汽車行業的應用不斷加快。

目前3D打印技術在汽車行業的應用存在一定的局限性，主要體現為原材料及設備成本相對較高、打印產品的性能與傳統制造工藝產品相比存在一定差距、對于結構相對簡單產品競爭力不足等，需要從產學研用系統協同攻關。□

崔厚學，男，1964年10月出生，湖北武漢人，焊接專業工學博士，研高，專業首席師。長期在國家大型整車及合資企業從事商用車、乘用車焊裝技術、焊裝質量、外協件質量和焊裝工藝規劃等工作。