3D打印在汽車零部件中的應用

申超　全斌義　雷振華

摘 要：3D打印技術在汽車行業有著十分重要的作用，它可以極大的縮短汽車研發周期，同時也能夠節約汽車生產的成本，擺脫了傳統汽車制造對模具的依賴。這些優點讓3D打印技術在汽車制造行業的應用越發的廣泛。本文通過介紹3D打印技術在汽車零部件研發、制造、模具和材料中應用來闡述3D打印技術對汽車零部件領域的重要作用。

關鍵詞：3D打印；汽車零部件；材料

1 引言

汽車的研發周期一般需要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造成巨大的危害。因此，各大車企都在想方設法縮短汽車研發周期。汽車的研發周期長，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計開發成本高昂。這些不足都限制了汽車工業的發展[1]。

作為工業4.0時代的一大標志，3D打印技術的快速發展必將為汽車制造業的發展提供更好的助力。當前，3D打印技術在汽車行業中的應用已經不再局限于簡單的概念模型設計，正朝著更多的功能零部件方向發展，滲透到汽車零部件的各個領域。例如汽車格柵、汽車儀表盤、空調管路、進氣歧管、發動機罩、裝飾件、車燈等都已經采用3D打印技術制作樣件或量產件。

2 3D打印在汽車零部件中的應用

2.1 3D打印在汽車零部件研發過程中的應用

汽車零部件的研發往往需要長時間的驗證工作。傳統的流程是先進行零部件設計，然后開發制作模具，再制造出零部件的實體并對零部件實體進行測試以確定是否能夠達到產品設計要求，如不滿足要求還需對設計或模具進行修正。這一流程耗時長、成本高。將3D打印技術應用到汽車零部件研發過程中則可快速對復雜零部件的工作原理和可行性進行驗證，不但省去了模具開發的工序，還可減少時間和資金的投入。傳統汽車零部件的研發周期通常在45天以上，而3D打印只要1-7天即可完成零部件的開發驗證過程，可大大提高新產品的研發效率。而且3D打印開發零部件的流程中不需要模具，可節約大量的成本。傳統零件開發流程和3D打印零件開發流程如圖1所示。

2.2 3D打印在汽車零部件制造中的應用

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

3D打印技術在汽車零部件制造中的應用主要包括：（1）制造結構復雜的零件，傳統工藝制造復雜零部件時需要分塊加工后再組裝，其尺寸精度和強度都會受到一定的影響，而且由于零部件結構復雜，需要的制造工序更多，這導致成本和加工周期提升，而3D打印則可以不受零部件結構的限制，可快速制造出復雜的汽車零部件。（2）多材料復合零件，3D打印技術的一個突出優勢是可以進行多材料、多顏色一體成型，實現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3D打印機打印出完全透明的多色車尾燈燈罩，進而避免之前繁雜加工程序，憑借50多萬種顏色組合，奧迪團隊可以打印多色多種材質的零部件，可以加速設計驗證過程，預計可節省至少50%的時間，如圖2所示。（3）輕量化結構零件，3D打印可以根據計算機仿真結果對零部件的結構進行最優設計，如采用鏤空結構在保證性能要求的前提下實現汽車輕量化。（5）個性化定制零件，布加迪汽車采用3D打印技術制備鈦合金制動鉗，不僅外觀酷炫，還經久耐用，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，為經典車型提供3D打印備用件，該技術可實現部件的小批量生產，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、車內后視鏡基座、火花塞支座[3]，如圖2所示。（7）應急零部件，當車輛因為特殊情況（例如處于戰場、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用

汽車行業競爭的日益激烈要求了汽車零部件的快速升級換代，但由于傳統的零部件制備工藝中長達數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換代速度。

近年來，3D打印技術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雜、成本高、耗時長等問題。3D打印技術在汽車零部件模具中的應用主要包括：零部件模具的快速成型、復雜零部件模具的一體化成型以及模具內部結構的最優化設計與制造（例如隨形冷卻流道）[5]。例如雷凱云等[6]采用3D打印技術制備了汽車發動機連桿，用時不到5小時即可加工成型，經過測試，該連桿的力學性能滿足連桿制造要求。采用3D打印技術，不但可以縮短汽車零部件模具的開發周期，還能夠制造復雜結構的精密模具，例如成澤邦[7]采用3D打印技術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構導致的變形，提高了產品的質量。

2.4 3D打印在汽車材料中的應用

3D打印技術的出現也為新材料的發展提供了一種新的思路，他可以通過對材料的微觀結構進行可控設計以實現材料新的功能，這是以往的材料制備工藝所不能實現的。近年來，多個團隊將3D打印技術應用到新材料的制備中，以期通過3D打印技術建立復合材料的新機制。例如寶馬汽車與麻省理工自我裝配實驗室合作，開發出了一種可充氣的3D 打印材料，特點是可以根據指令而改變其形狀和硬度，這項技術能夠被運用到高度可定制和多功能汽車內飾中，可以提升乘坐的舒適度。薩里大學的科學家與巴爾的摩約翰霍普金斯大學和加利福尼亞大學的研究人員合作開發了一種具有高剛度和阻尼的新型3D打印材料。科學家表示，這種新材料雖然像金屬一樣堅硬但卻有足夠柔韌，可以承受強烈的振動，汽車產業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。卡內基梅隆大學與美國密蘇里科技大學的研究人員研發了一款3D打印電池電極，該電極擁有3D微晶格結構，可實現可控孔隙率，如圖4所示。研究人員指出，該微晶格結構可大幅提升鋰離子電池的容量及充放電速率，還可利用3D打印設備，制作形狀復雜的3D電池架構，有助于優化電化學儲能的配置，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航里程。

3 結語

3D打印技術作為數字信息化時代最為重要的一項技術發明，必將對汽車工業發展產生巨大的推動作用。本文通過介紹3D打印技術在汽車零部件研發、制造、模具和材料中應用情況進行分析，充分了解到3D打印技術在汽車零部件中的應用已經非常廣泛，相對于傳統的工業化生產3D打印技術具有可縮短開發周期、可實現個性化制造、可設計新型車用材料以及可節約成本等特點。我們應該抓住3D打印技術發展契機，緊跟時代發展步伐。

參考文獻：

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

[2]http：//www.12365auto.com/xcdg/

20181226/370480.shtml

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

[4]紀培彬、李慧梅，楊明，唐彥峰.3D打印技術在車輛裝備戰場搶修中的應用[J].軍事交通學院學報，2017，19（10），29-32.

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

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

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