3D打印技術在汽車行業中的應用與發展趨勢

李金華 蔣文虎 鄭敬超 袁博

（中國第一汽車集團有限公司 研發總院，長春 130011）

主題詞：3D打印 迭代換型 個性化定制 汽車輕量化

1 前言

加快新車型的開發，有利于汽車制造商快速占領市場，各汽車的制造企業都在嘗試利用先進的技術手段，實現新車型的快速開發。3D打印是一種快速成型技術，采用分層加工、疊加成形的方式生成3D實體，也稱為增材制造[1]。與傳統的制造技術相比，3D打印技術不需要從毛坯上去除多余的材料，也不需要借助模具鑄造、沖壓、焊接。3D打印技術為新車型的開發帶來了巨大的機遇。將3D打印技術應用在汽車行業中，能夠快速地制造出高精度、造型復雜的汽車零部件，降低研發成本，提高開發效率[2]。此外，3D打印能增加設計靈活性，可以滿足汽車個性化定制需求；同時，由于復合材料的開發及對拓撲優化后復雜結構的適應性，使得3D打印更易實現零件輕量化；多材料復合零件的直接成形，也突顯了3D打印的技術優勢。目前，3D打印技術的發展也已經能夠實現整車的3D打印制造，而且汽車廠家也開始使用3D打印來制造各種模具、夾具等用于組裝和制造過程。目前，已經能夠實現整車的3D打印制造[3，4]。

但是，3D打印仍然存在眾多限制，尤其是成本限制，使其目前僅適用于小批量、小尺寸、精度高、結構復雜的汽車零部件生產，還不能實現所有零部件的3D打印量產。隨著技術的進步，3D打印在汽車行業的應用也會越來越廣[4，5]。

2 3D打印技術

2.1 打印原理

3D打印技術也稱增材制造技術，是相對于傳統的機加工等“減材制造”技術而言的，是基于離散／堆積原理，通過材料的逐漸累積來實現制造的技術。如圖1所示，3D打印技術是利用計算機將待成形零件的三維模型切成一系列一定厚度的“薄片”，3D打印設備自下而上地制造出每一層“薄片”最后疊加成形出現三維的實體零件。這種制造技術無需傳統的刀具或模具，可以實現傳統工藝難以或無法加工的復雜結構的制造，并且可以有效簡化生產工序，縮短制造周期[2，6，7]。

圖1 3D打印原理

2.2 打印技術分類

3D打印技術從誕生至今，已發展30余年，目前處于多種技術路線共存的狀態。根據所用耗材形態和成型原理的差異，目前主流的3D打印技術可分為擠出熔融成型、粒狀物料成型、光聚合成型三種類型。每種類型按照成型技術的不同，又演化出多種子種類，其中，熔融層積技術（FDM）屬于擠出成型類，粒狀物料成型包括直接金屬激光燒結技術（DMLS）、電子束熔融技術（EBM）、選擇性激光燒結技術（SLS）、選擇性熱燒結技術（SHS）和選擇性激光融化成型技術（SLM），光聚合成型技術則包括光固化成型技術（SLA）、數字光處理技術（DLP）、聚合物噴射技術（PI）等加工技術。

隨著技術的發展和市場需求量的增加，基于典型3D打印技術，衍生出一系列新的技術，比如石膏3D打印（PP）、分層實體制造（LOM）、三維打印（3DP）、電子束自由成型制造（EBF）、激光凈形制造（LENS）等。

按照打印耗材種類的不同，3D打印技術又可以分為非金屬3D打印技術和金屬3D打印技術，其中，FDM、SLA、DLP、3DP等屬于非金屬3D打印技術，SLM、DMLS、EBM等屬于金屬材料3D打印技術[3，4,8～10]。

2.3 常用于汽車制造的3D打印技術

汽車由大量的金屬和非金屬零件組成，生產這些零件常用的3D打印技術主要有：熔融沉積（FDM）、光固化成型（SLA）、選擇性激光燒結（SLS）、選擇性激光融化成型（SLM）、三維打印（3DP）等，本節將介紹上述打印技術的功能和最終產品實現方法。

2.3.1 熔融沉積成型技術（FDM）

FDM技術是將絲狀的熱塑性材料通過噴頭加熱熔化，在計算機控制下，噴頭根據產品三維模型的數據移動到指定位置，將熔融狀態下的液體材料擠噴出來并最終凝固，見圖2。

圖2 熔融沉積成型原理[8]

主要成型材料：PC、PC＋ABS、ABS。

優點：應用材料廣、零件綜合性能好。

缺點：表面精細度略低。

精度：：±0.10/100mm。

適用范圍：外觀件，結構件、工裝檢具。

代表廠家：Stratasys。

2.3.2 光固化成型（SLA）技術

SLA技術是利用紫外激光逐層掃描液態的光敏聚合物（如丙稀酸樹脂、環氧樹脂等），實現液態材料的固化，逐漸堆積成形的技術，見圖3。

主要成型材料：光敏樹脂。

優點：工藝成熟度高，成型精度高、工件表面質量好。

缺點：材料選擇范圍窄，僅適用光敏樹脂，成品較脆、強度低。

精度：：±0.05mm。

適用范圍：汽車內外飾件原型，展示展覽。

代表廠家：3DSYSTEMS、Stratasys。

圖3 光固化成型原理[8]

2.3.3 選擇性激光燒結（SLS）

SLS技術是將光在粉末層表面按照截面掃描，將粉末融化燒結，相互粘接，層層疊加最終得到三維實體，見圖4。

圖4 選擇性激光燒結原理[8]

主要成型材料：尼龍粉、尼龍+玻纖。

優點：成型精度高，與傳統工藝制造的樣件機械性能接近，后處理簡便。

缺點：成型時有粉塵污染。

精度：：±0.06/100mm。適用范圍：汽車結構零件、鑄造砂型。代表廠家：3DSYSTEMS、EOS、SLM。

2.3.4 選擇性激光融化成型（SLM）

選擇性激光融化成型（SLM）的原理與選擇性激光燒結技術相似，也是一種基于粉末機床的鋪粉成型技術，只是材料由非金屬材料換成金屬粉末，這種技術可以成型出結構復雜、性能優異、表面質量良好的金屬零件，但目前這種技術無法成型出大尺寸的零件，見圖5。

主要成型材料：金屬合金粉,鋁合金粉/鋼粉。

優點：成型速度快、成型精度高、工件表面質量好。

缺點：成本高。

精度：±0.05/100mm。

適用范圍：汽車結構零件、模具。

代表廠家：SLM、雷尼紹、EOS。

圖5 選擇性激光融化原理[9]

2.3.5 三維打印（3DP）技術

3DP技術的工作過程類似于噴墨打印機，其工藝過程與SLS工藝類似，所不同的是材料粉末不是通過激光燒結連接起來的，而是通過噴頭噴涂粘結劑（如硅膠）將零件的截面“印刷”在材料粉末上面，見圖6。

主要成型材料：陶瓷粉末、金屬粉末、塑料粉末等。

優點：成本低，加工速度快，可打彩色模型。

缺點：樣件強度低，精度差。

精度：±0.10mm。

適用范圍：造型模型，鑄造砂芯。

代表廠家：3DSYSTEMS。

圖6 三維打印原理[10]

3 3D打印技術在汽車部件中應用

3D打印在汽車行業研制生產中起到十分重要的作用，幾乎所有的汽車零部件都可以采用3D打印直接或間接完成，主要用于產品概念設計、原型制作、產品評審、功能驗證，以及制作模具原型或直接打印模具和產品。目前，已經能夠實現整車的3D打印制造[2]。

3.1 非金屬零件3D打印

3D打印技術最早只應用于非金屬內外飾零件的原型制作，依其快速成型特性，實現快速驗證設計尺寸及零件結構的目的，縮短了產品開發周期。隨著3D打印技術和材料技術的發展，幾乎所有的汽車非金屬零件都可以用3D打印技術實現，不僅限于內外飾零部件[3]。圖7和圖8所示為一汽大眾公司技術開發部（長春）采用SLS技術制作的保險杠導向支架和后排吹腳風道樣件，其成型件對環境（溫度、濕度和化學腐蝕）的抵抗能力類似于熱塑性材料，具有良好的強度和優異的抗沖擊性能，非常適合制作需要受力的結構件。

圖7 保險杠導向支架

圖8 后排吹腳風道

3D打印技術的發展已經能夠實現整車的3D打印[2，3，11]。圖 9 是首臺利用 3D 打印技術生產的整車URBEE 2。URBEE 2是一款搭載混合動力的三輪汽車，整車包括超過50個3D打印組件，車輛除了底盤、動力系統和電子設備等，超過50%的部分都是由ABS塑料打印而來。設計團隊表示出于安全方面的考慮，未對底盤零件采用3D打印進行制造。此外，為了達到更高的安全標準，框架部分采用了鋼管焊接[11]。如果說URBEE 2車外形簡單以及底盤零件未采用3D打印技術，那么在2014年國際汽車制造技術展上推出的Strati汽車，就可以稱為真正意義上的第一臺3D打印整車，其底盤部分也采用了3D打印技術，考慮到安全性，Strati的原材料加入了碳纖維的熱塑材料，如圖10所示。圖11所示為美國橡樹嶺試驗室正在進行的3D打印客車及卡車相關零部件科研工作[3]。

圖9 3D打印URBEE 2整車[11]

汽車輕量化是汽車未來發展的方向，3D打印設備及材料的發展，已能實現碳纖維及其復合材料等輕量化材料零件的制造[3]；目前，國內各汽車企業對于應用3D打印技術實現汽車輕量化還處于研究階段；國外各知名企業已經在概念車、跑車等領域應用3D打印技術實現汽車輕量化。圖12所示為國外某公司打造的一款人工智能概念車Klara的座椅，座椅采用了輕量化的框架結構，復雜結構的座椅框架采用傳統制造方式很難實現，采用3D打印技術完成了產品的制造。

圖10 3D打印Strati整車[3]

圖11 3D打印客車及卡車整車[3]

圖12 輕量化結構座椅框架

3.2 金屬零件3D打印

3.2.1 間接打印

3D打印金屬零件主要分為間接打印和直接打印。間接打印是指將3D打印技術與傳統鑄造相結合實現復雜金屬零件毛坯的快速制造方法。PS、EPS、石蠟等材料形成的模型主要用于熔模精密鑄造，覆膜砂形成的砂型或砂芯主要用于砂模鑄造。汽車中的發動機缸體、缸蓋、進排氣管、變速器殼體等復雜零件都可采用“3D打印+鑄造”的方式快速生產毛坯。3D打印間接打印目前主要用于在產品開發階段獲得小批量金屬樣件。圖13-15為一汽集團鑄造公司應用3D打印技術，制造的金屬毛坯。

圖13 “3D打印+熔模鑄造”鋁合金機油盤

圖14 “3D打印+砂模鑄造”加工的發動機缸體

圖15 “3D打印+砂模鑄造”加工的發動機缸蓋

3.2.2 直接打印

金屬3D直接打印技術同樣具有快速成型特性，可以用更大的自由度來實現設計的想法，能產生高度定制的部件，尤其是針對那些經過拓撲優化的輕量化結構及高強度復雜結構零件，更能突顯其技術優勢。但是，由于金屬3D打印技術相比非金屬3D打印技術復雜性高，受成本因素和成型技術的制約，在汽車領域的應用沒有非金屬3D打印應用廣泛，尤其金屬3D直接打印技術在大型復雜殼體類零件上的應用并不廣泛。目前應用較為廣泛的是用選擇性激光熔化工藝打印復雜組件、復雜管道以及薄壁件的制造[12，13]。

圖16是通用汽車公司經過拓撲優化后的發動機支架，優化后重量降低70%，零件可通過3D打印技術直接實現。3D打印的凈成型特性，可以讓設計師專注于零件的性能，不用過多考慮零件的可制造性。

圖16 通用公司發動機輕量化支架[12]

圖17是某公司開發的發動機組件，零件具有復雜的幾何形狀和薄壁結構，使用傳統的方法（如鑄造或機加工）很難生產。采用金屬3D直接打印技術可以完美的將零件制造出來。

圖17 汽車組件

圖18是寶馬公司通過金屬3D打印技術制造的輕量化支架，此支架也隨著i8 Roadster的批量化生產而進入到量產領域。

圖18 i8輕量化支架

目前，國內大多汽車制造公司都還沒有廣泛地應用金屬3D打印技術，但各汽車制造公司已把目光集中在金屬3D打印，在優化工藝、降低成本和提高生產速度上尋找解決方案，開展技術研究。圖19及圖20是一汽集團研發團隊采用SLM工藝打印的單缸機缸蓋及水冷式鑄鋁排氣管。結合零件的打印，開發團隊也對金屬3D打印零件的相關性能、支撐結構、以及周期成本等進行了對比分析，認為在產品開發階段及單件生產階段，采用金屬3D打印技術生產復雜單缸機缸體、缸蓋零件具有優勢；對于采用金屬3D打印技術打印多缸機缸體、缸蓋的可行性還在探索中。

圖19 單缸機缸蓋

圖20 水冷式鑄鋁排氣管

3.3 多材料集成的復雜零件

現在的3D打印技術已支持一次打印多材料、多色彩、多紋理的零件，也就意味著在一次打印過程中將多種不同屬性材料結合到一起。借此能力，無論是汽車內飾還是外飾，從車燈罩到輪轂，任何能想到的部分都能展現出實際的感受功能[8,14]。

圖21是賓利設計團隊完成的包含輪轂在內的3D打印輪胎原型，其中輪轂采用硬質材料，輪胎采用彈性橡膠材料,輪胎與輪轂一次性制造完成，與原車的輪胎大小比例為1:1。由于輪胎與輪轂一次性制造完成，避免了組裝帶來的限制，也實現了極高的設計和原型制造的周轉速度。賓利還能夠模擬不同硬度、延展性和撕裂強度的橡膠，從而生成具有不同抗張強度的橡膠組件。

圖21 多材料集成輪胎

汽車內飾是一個復雜的領域。汽車內飾由復雜的材料組合構成，通常情況下，每個組件都需要單獨生產，然后以最終確定的形式無縫組合在一起，這使得快速原型階段的設計驗證更加復雜。多材料復合零件的打印技術，簡化了內飾零件的設計驗證，加快了產品的迭代換型。圖22是采用Polyjet工藝打印的手柄原型，該原型采用了多種材料、多種色彩和色彩紋理制造而成，并且手柄上增加了一種令人舒服的人體工程學復合材料。原型表面光滑、紋理逼真，色彩之間的過渡區域無縫地融合在一起。

圖22 多材料集成手柄

汽車前后燈組件是汽車重要的設計元素，要讓設計恰到好處，往往需要多次迭代。在開發過程中燈罩是一個復雜的部分，由不同色彩、紋理和零件組成，需要無縫匹配。目前燈罩原型需要采取分步制作的方式，過程復雜，現在3D打印技術可以將這一過程縮短為單個步驟，幾個小時就可完成，100%與品牌色彩匹配。圖23所示為采用Polyjet工藝打印的具有功能的汽車尾燈，圖24所示為具有生動色鮮和透明度的燈罩原型，3D打印技術為汽車創新帶來無限可能。

圖23 多色彩汽車尾燈

圖24 多色彩燈罩原型

4 工裝及模具

3D打印不但可以用來快速驗證產品設計，同樣也可以快速地制造用于安裝和匹配的工裝、檢具，從而實現快速驗證生產可行性的目標，對于生產工藝驗證意義非常重大。圖25為寶馬公司打印安裝工裝和測量檢具的案例，圖26為本田公司打印貼標機的案例。

圖25 寶馬公司3D打印工裝

圖26 本田公司3D打印貼標機

對于傳統工藝難以實現的復雜模具的制造方面，3D打印技術優勢明顯。如：輪胎花紋是重要而又復雜多變的加工難點，其加工的精密程度直接影響到輪胎的精度和質量，甚至是輪胎的安全、駕駛的舒適度等等。花紋的結構往往呈現出空間三維扭曲、輪胎花紋具有弧度多、角度多的特點，采用傳統的加工手段難以精準完成。圖27為米其林與法孚合作，通過金屬3D打印設備進行米其林輪胎模具的研發與制造，突破了傳統鑄造與機加工技術難以實現的復雜紋理制造。

圖27 輪胎模具

圖28 隨形冷卻模具

同樣，3D打印在加工隨形冷卻模具方面應用廣泛。如圖28所示：將復雜冷卻道與模具型芯一次成型，通過改善冷卻減少變形，提高模具壽命，產品質量大大提高。

5 發展趨勢

3D打印技術的日益成熟和發展，使汽車行業對傳統加工工藝和技術的依賴性減少，個性化、小批量產品更易實現，未來汽車個性化定制也將從高端定制走向平民化，產品設計也將從滿足普遍性向滿足個體發展。

在汽車產業鏈方面，3D打印技術可使需要大量備用零件存儲的傳統方式，轉變為設計圖紙或數字化產品的虛擬存儲。分布式的3D打印制造可使生產本地化，能有效降低浪費和污染，3D打印技術使汽車產業綠色環保。