3D打印技術在汽車制造領域的應用與成本控制

高豐 梁伶伶 韋向前 梁紹晟 張發

【摘 要】隨著個性定制化時代的到來，3D打印技術廣泛應用于汽車等各個領域。目前，3D打印技術多應用于汽車研發環節，主要應用于試驗模型和零部件定制。文章在介紹3D打印技術發展現狀的基礎上，分析3D打印技術在汽車制造總裝車間汽車裝配上的應用，以此強調3D打印技術在汽車制造領域的重要性。

【關鍵詞】3D打印技術;總裝車間;汽車制造

【中圖分類號】U466;U472 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）03-0064-03

1 3D打印技術簡介

3D打印技術即快速成型技術的一種，又稱增材制造，它以數字模型文件作為基礎，將模型文件分層，通過逐層打印形成物體，多使用可黏合材料，例如粉末狀金屬或塑料等[1]。3D打印的實現通常是通過數字技術材料打印機，常在模具制造、工業設計等領域被用于制造模型。隨著材料科學的發展，3D打印技術逐步用于一些產品的直接制造，如今已有使用這種技術打印而成的零部件。該技術在航天科技、汽車研發、醫療模型、電子行業、建筑房屋及其他領域都有所應用。

2 3D打印技術原理

2.1 建立3D數字模型

3D打印技術根據需求建立3D數字模型，通常有掃描成型和軟件設計兩種建立方式。在已有實物的情況下，用三維掃描儀將物體的立體信息轉化為直觀的數字信號，實現快速的逆向3D數字建模，稱為掃描成型。通過3D設計軟件進行的3D數字建模稱為軟件設計，在汽車行業中，常用的3D設計軟件有Catia、Pro/e和UG等。

2.2 切片處理

在得到3D數字模型后，開始對數字模型進行切片處理，就是將三維模型沿某一軸的方向切成一系列的二維平面數據，3D打印機讀取數據后按層工作，通過疊加成型構造實體[2]。通用的切片軟件有cura、s3d和Repetier Host 3種，同時各大3D打印機制造廠商也有自主研發的切片軟件。

2.3 打印成型技術

打印成型是3D打印技術最為核心的環節，在很大程度上直接影響打印的最終質量。當前，通用的3D打印技術有5種：SLA（光固化成型）、SLS（選擇性激光燒結）、FDM（熔融沉積快速成型）、3DP（三維粉末黏接）、DMLS（直接金屬激光燒結）[3]。以FDM為例，熔融沉積型3D打印技術是將絲狀材料加熱到適當的溫度使其熔化，然后通過噴嘴擠出，一個層面沉積完成后，打印平臺按照預定的增量下降一個高度，再繼續熔融沉積，直至完成整個打印件的典型打印技術。FDM 3D打印機一般使用的材料有工程塑料（PLA/ABS）、柔性材料（TPE/TPU）、金屬質感材料（Metal PLA/Metal ABS）和尼龍材料（EPA）。本文選用了如下品種材料做應用研究對比（見表1）。

2.4 打印后處理

FDM技術的打印件粗糙且表面有可見的紋路，需要對其進行后期處理。通常使用去除支撐結構、打磨拋光和表面處理等方法，用于提高產品的機械性能，讓產品外觀更美觀。FDM技術的優勢在于制造簡單，成本低廉。

3 3D打印技術在汽車領域的應用現狀

3.1 3D打印技術在汽車研發階段的應用

隨著汽車保有量的快速增加，汽車行業的競爭日益激烈，成本控制是汽車公司在研發階段面臨的重大難題，研發速度與成本息息相關。在傳統汽車研發中，只有將模具生產出來后才能制造零部件，而普通汽車零部件制造企業對一個模具的研發、制造到投入使用往往需要經過3個月以上的時間，在這段時間還會產生大量的資源浪費。3D打印技術可快速地制作概念模型和功能原型，優化了因制作模具而浪費的時間，減少加工工序，從而大大縮短汽車零部件的驗證時間，提高研發效率[4]（如圖1所示）。

材料科學發展迅速，越來越多的材料能應用于3D打印中，能滿足大部分汽車零部件的屬性要求，并且打印技術制造的產品在精度上優于傳統方式制造的零部件。同時，3D打印技術能實現汽車零部件的輕量化，減輕汽車自重，降低汽車油耗，符合國家相關部門提出的綠色發展理念。

3.2 3D打印技術在汽車維修上的應用

在汽車維修時，更換零部件是最為常用的維修方式。但市場上車型眾多，4S店不可能配備所有的零部件，很容易產生因為零部件短缺而影響維修進度的情況，大大影響了客戶的維修體驗。對于一些停產多年的老車型，汽車企業也沒有零部件的庫存，如果為單一零部件單獨開模制作，將會造成企業不愿承擔的資源浪費。此時，3D打印技術在汽車維修上的優勢就體現出來了，只要存有零部件的加工數據與三維數模文件，就可快速地制作出成品，實現降低制造成本，為客戶帶來更好的維修體驗，節省物流成本的目標[5]（如圖2所示）。

同時，由于汽車的個性化設計，因此在汽車維修過程中，不同車型需要用到不同的維修工具，市場只能提供一些標準的維修工具，不能滿足一些特殊的需求[5]。此時，需要3D打印技術制作一些特殊的維修工具，一般通過三維掃描儀得到汽車內部空間數據，再依據數據進行工具設計，最后以3D打印機快速地制作維修工具，提高維修效率。

4 3D打印技術在汽車裝配領域的應用

4.1 應用前景

3D打印的主要優勢在于它的可定制性，能將計算機圖形數據生成任何形狀的零件，從而極大地縮短產品的研制周期，提高生產效率和降低生產成本。

總裝作為汽車生產的重要工序，守護著汽車生產的質量底線，有著眾多復雜的工藝，在裝配過程中同樣需要用到各種各樣的裝配工具。根據總裝車間的工藝需求，將裝配工具分為定位工具、輔助工具、防劃傷工具和檢測工具四大類，不同種類的工具對材料的屬性要求各不相同。這些工具雖然種類繁多，但是需求量少，生產成本高，制作周期長。如果使用3D打印技術，能大大縮短工具的制作周期，間接地促進汽車的裝配效率的提升。同時，提高了裝配工具的精度，使裝配工具標準化。如果需要制作相似的工具，只要通過調整參數便可進行快速便捷的制作。在同車型不同產線的裝配人員進行工藝交流時，也能更好地將新的裝配方法與裝配工具進行推廣，有利于裝配人員業務水平的提升。

4.2 3D打印技術在裝配專用工具上的應用

定位工具是用于解決汽車零部件與零部件、零部件與車身之間X/Y/Z方向配合的專用工具，使裝配偏差固定在標準范圍內，滿足工藝及質量標準要求。例如：前后擋風玻璃定位工具、前后雨刮器定位工具、車門水切裝配定位工具、翼子板定位工具等（如圖3所示）。

輔助工具指的是輔助操作使用的工具，使操作過程更加簡單、便捷。主要體現在人機工程改善、裝配效率提升、滿足質量要求方面。例如：拓印筆套輔助工具、前圍隔音墊安裝輔助工具、尾門鎖防關閉輔助工具、卡扣安裝輔助工具等（如圖4所示）。

防劃傷工具是用于保護車身表面漆面的主動防護控制工具，保護裝配操作過程車身表面油漆不被銳物劃傷油漆，消除補漆返修浪費。例如：車門鎖扣安裝防劃傷工具、車門鎖體安裝防劃傷工具、車門線束防劃傷工具、發動機激光碼防劃傷工具等（如圖5所示）。

檢測工具是用于零部件之間裝配后測量尺寸偏差類工具，是用于設計測量零件工藝參數識別的專用工具。例如：車門亮條安裝檢測工具、車門導槽密封條飾條檢測工具、蓄電池檢測工具、中間軸測量工具等（如圖6所示）。

4.3 成本控制

以提升質量和降低成本為目的，較傳統工具制作方式和制作周期，3D打印技術的應用有利于降低工具成本投入。最佳實踐：應用3D打印技術開發專用工具制作合計57種（159件），累計節約7萬元，為高質量和低成本的產品輸出提供優勢。

5 總結

作為第三次工業革命標志性產物之一，3D打印技術已經被廣大汽車企業認可，在研發與維修領域扮演著重要的角色，有效地解決了許多實際的問題。同時，隨著材料科學的發展，3D打印技術會在汽車行業得到更為全面的運用，逐步應用到汽車生產的四大工藝中，代替部分傳統的減材制造方式，從而降低投入成本，為汽車行業的發展提供助力。

參 考 文 獻

[1]趙竟宇.3D打印機的發展與運用趨勢[J].造紙裝備及材料，2020，49（3）：114.

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

[3]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：太原理工大學，2014.

[4]李雪峰，黃安琪，夏申琳.3D打印技術在汽車制造中的應用及中國汽車業的機遇與挑戰[J].世界制造技術與裝備市場，2019（4）：37-39.

[5]周丹.論3D打印技術在汽車維修領域中的應用[J].中國市場，2016（36）：61-62.