3D打印在汽車零部件中的應(yīng)用

申超　全斌義　雷振華

摘 要：3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)有著十分重要的作用，它可以極大的縮短汽車研發(fā)周期，同時也能夠節(jié)約汽車生產(chǎn)的成本，擺脫了傳統(tǒng)汽車制造對模具的依賴。這些優(yōu)點讓3D打印技術(shù)在汽車制造行業(yè)的應(yīng)用越發(fā)的廣泛。本文通過介紹3D打印技術(shù)在汽車零部件研發(fā)、制造、模具和材料中應(yīng)用來闡述3D打印技術(shù)對汽車零部件領(lǐng)域的重要作用。

關(guān)鍵詞：3D打印；汽車零部件；材料

1 引言

汽車的研發(fā)周期一般需要3-5年，但是面對汽車市場的激烈競爭，這么長的時間可能會對汽車制造企業(yè)造成巨大的危害。因此，各大車企都在想方設(shè)法縮短汽車研發(fā)周期。汽車的研發(fā)周期長，其根本原因在于汽車零部件的加工制造周期較長，且汽車零部件前期的設(shè)計開發(fā)成本高昂。這些不足都限制了汽車工業(yè)的發(fā)展[1]。

作為工業(yè)4.0時代的一大標(biāo)志，3D打印技術(shù)的快速發(fā)展必將為汽車制造業(yè)的發(fā)展提供更好的助力。當(dāng)前，3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)不再局限于簡單的概念模型設(shè)計，正朝著更多的功能零部件方向發(fā)展，滲透到汽車零部件的各個領(lǐng)域。例如汽車格柵、汽車儀表盤、空調(diào)管路、進(jìn)氣歧管、發(fā)動機(jī)罩、裝飾件、車燈等都已經(jīng)采用3D打印技術(shù)制作樣件或量產(chǎn)件。

2 3D打印在汽車零部件中的應(yīng)用

2.1 3D打印在汽車零部件研發(fā)過程中的應(yīng)用

汽車零部件的研發(fā)往往需要長時間的驗證工作。傳統(tǒng)的流程是先進(jìn)行零部件設(shè)計，然后開發(fā)制作模具，再制造出零部件的實體并對零部件實體進(jìn)行測試以確定是否能夠達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計要求，如不滿足要求還需對設(shè)計或模具進(jìn)行修正。這一流程耗時長、成本高。將3D打印技術(shù)應(yīng)用到汽車零部件研發(fā)過程中則可快速對復(fù)雜零部件的工作原理和可行性進(jìn)行驗證，不但省去了模具開發(fā)的工序，還可減少時間和資金的投入。傳統(tǒng)汽車零部件的研發(fā)周期通常在45天以上，而3D打印只要1-7天即可完成零部件的開發(fā)驗證過程，可大大提高新產(chǎn)品的研發(fā)效率。而且3D打印開發(fā)零部件的流程中不需要模具，可節(jié)約大量的成本。傳統(tǒng)零件開發(fā)流程和3D打印零件開發(fā)流程如圖1所示。

2.2 3D打印在汽車零部件制造中的應(yīng)用

隨著人們對汽車輕量化、個性化、智能化的需求不斷提升，汽車零部件中出現(xiàn)越來越多的特殊設(shè)計。這些特殊設(shè)計對制造工藝的要求更高，因傳統(tǒng)制造工藝的局限性，這些特殊設(shè)計較難成型，而3D打印技術(shù)的出現(xiàn)則可以有效的解決這些問題。

3D打印技術(shù)在汽車零部件制造中的應(yīng)用主要包括：（1）制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，傳統(tǒng)工藝制造復(fù)雜零部件時需要分塊加工后再組裝，其尺寸精度和強(qiáng)度都會受到一定的影響，而且由于零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要的制造工序更多，這導(dǎo)致成本和加工周期提升，而3D打印則可以不受零部件結(jié)構(gòu)的限制，可快速制造出復(fù)雜的汽車零部件。（2）多材料復(fù)合零件，3D打印技術(shù)的一個突出優(yōu)勢是可以進(jìn)行多材料、多顏色一體成型，實現(xiàn)零部件的不同部位對材料性能和顏色的不同要求，如奧迪采用Stratasys J750全彩多材質(zhì)3D打印機(jī)打印出完全透明的多色車尾燈燈罩，進(jìn)而避免之前繁雜加工程序，憑借50多萬種顏色組合，奧迪團(tuán)隊可以打印多色多種材質(zhì)的零部件，可以加速設(shè)計驗證過程，預(yù)計可節(jié)省至少50%的時間，如圖2所示。（3）輕量化結(jié)構(gòu)零件，3D打印可以根據(jù)計算機(jī)仿真結(jié)果對零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行最優(yōu)設(shè)計，如采用鏤空結(jié)構(gòu)在保證性能要求的前提下實現(xiàn)汽車輕量化。（5）個性化定制零件，布加迪汽車采用3D打印技術(shù)制備鈦合金制動鉗，不僅外觀酷炫，還經(jīng)久耐用，整個工藝過程歷時45小時[2]，如圖2所示。（6）小批量零件，戴姆勒采用3D打印技術(shù)，為經(jīng)典車型提供3D打印備用件，該技術(shù)可實現(xiàn)部件的小批量生產(chǎn)，由于批量小，先期投入成本與報廢件成本都不會很大，最新款3D打印部件包括天窗滑動輪、車內(nèi)后視鏡基座、火花塞支座[3]，如圖2所示。（7）應(yīng)急零部件，當(dāng)車輛因為特殊情況（例如處于戰(zhàn)場、荒蕪的野外、太空等）而無法及時找到備用零部件時，采用3D打印技術(shù)實時制造零部件能夠有效解決此類問題[4]。

2.3 3D打印在汽車零部件模具中的應(yīng)用

汽車行業(yè)競爭的日益激烈要求了汽車零部件的快速升級換代，但由于傳統(tǒng)的零部件制備工藝中長達(dá)數(shù)月的模具研制周期以及模具使用的高損耗，都在一定程度上阻礙了汽車的更新?lián)Q代速度。

近年來，3D打印技術(shù)開始運用于汽車零部件模具中，以期改善模具制造過程中存在的操作復(fù)雜、成本高、耗時長等問題。3D打印技術(shù)在汽車零部件模具中的應(yīng)用主要包括：零部件模具的快速成型、復(fù)雜零部件模具的一體化成型以及模具內(nèi)部結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計與制造（例如隨形冷卻流道）[5]。例如雷凱云等[6]采用3D打印技術(shù)制備了汽車發(fā)動機(jī)連桿，用時不到5小時即可加工成型，經(jīng)過測試，該連桿的力學(xué)性能滿足連桿制造要求。采用3D打印技術(shù)，不但可以縮短汽車零部件模具的開發(fā)周期，還能夠制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)的精密模具，例如成澤邦[7]采用3D打印技術(shù)制造含有隨形冷卻流道的汽車方向盤模具，該模具冷卻效果好，可有效減少零件因自身結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的變形，提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。

2.4 3D打印在汽車材料中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)的出現(xiàn)也為新材料的發(fā)展提供了一種新的思路，他可以通過對材料的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行可控設(shè)計以實現(xiàn)材料新的功能，這是以往的材料制備工藝所不能實現(xiàn)的。近年來，多個團(tuán)隊將3D打印技術(shù)應(yīng)用到新材料的制備中，以期通過3D打印技術(shù)建立復(fù)合材料的新機(jī)制。例如寶馬汽車與麻省理工自我裝配實驗室合作，開發(fā)出了一種可充氣的3D 打印材料，特點是可以根據(jù)指令而改變其形狀和硬度，這項技術(shù)能夠被運用到高度可定制和多功能汽車內(nèi)飾中，可以提升乘坐的舒適度。薩里大學(xué)的科學(xué)家與巴爾的摩約翰霍普金斯大學(xué)和加利福尼亞大學(xué)的研究人員合作開發(fā)了一種具有高剛度和阻尼的新型3D打印材料。科學(xué)家表示，這種新材料雖然像金屬一樣堅硬但卻有足夠柔韌，可以承受強(qiáng)烈的振動，汽車產(chǎn)業(yè)將迎來新一輪的更新，讓客戶在旅途中幾乎不會受到任何振動，如圖3所示。卡內(nèi)基梅隆大學(xué)與美國密蘇里科技大學(xué)的研究人員研發(fā)了一款3D打印電池電極，該電極擁有3D微晶格結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)可控孔隙率，如圖4所示。研究人員指出，該微晶格結(jié)構(gòu)可大幅提升鋰離子電池的容量及充放電速率，還可利用3D打印設(shè)備，制作形狀復(fù)雜的3D電池架構(gòu)，有助于優(yōu)化電化學(xué)儲能的配置，相較于實心電極，其比容量提升4倍、實際容量提升兩倍，這將極大的提升新能源汽車的續(xù)航里程。

3 結(jié)語

3D打印技術(shù)作為數(shù)字信息化時代最為重要的一項技術(shù)發(fā)明，必將對汽車工業(yè)發(fā)展產(chǎn)生巨大的推動作用。本文通過介紹3D打印技術(shù)在汽車零部件研發(fā)、制造、模具和材料中應(yīng)用情況進(jìn)行分析，充分了解到3D打印技術(shù)在汽車零部件中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，相對于傳統(tǒng)的工業(yè)化生產(chǎn)3D打印技術(shù)具有可縮短開發(fā)周期、可實現(xiàn)個性化制造、可設(shè)計新型車用材料以及可節(jié)約成本等特點。我們應(yīng)該抓住3D打印技術(shù)發(fā)展契機(jī)，緊跟時代發(fā)展步伐。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊振英，于博.3D打印在汽車塑料件設(shè)計中的應(yīng)用與研究進(jìn)展[J].塑料工業(yè)，2017，45（5），11-15.

[2]http：//www.12365auto.com/xcdg/

20181226/370480.shtml

[3]http：//www.qichecailiao.com/news/show-20584.html

[4]紀(jì)培彬、李慧梅，楊明，唐彥峰.3D打印技術(shù)在車輛裝備戰(zhàn)場搶修中的應(yīng)用[J].軍事交通學(xué)院學(xué)報，2017，19（10），29-32.

[5]范興平.3D打印在模具制造中的應(yīng)用展望[J].粉末冶金工業(yè)，2018，28（6），69-73.

[6]雷凱云，秦訓(xùn)鵬、徐昀，劉華明，胡澤啟.汽車發(fā)動機(jī)連桿激光3-D打印工藝研究[J].激光技術(shù)，2018，42（1），136-140.

[7]成澤邦.基于Moldflow的汽車方向盤內(nèi)飾件注射模設(shè)計[J].模具工業(yè)，2018，44（12），51-55.