3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究

李 晨

（汕頭技師學(xué)院，廣東 汕頭 515041）

1 3D打印概述

1.1 3D打印的技術(shù)原理

3D打印技術(shù)也被稱之為增材制造，是一種快速成型的技術(shù)，以數(shù)字模擬文件作為基礎(chǔ)，使用金屬粉末、塑料粉末等可黏合材料，通過(guò)逐層打印的方式，來(lái)滿足構(gòu)造的需求[1]。3D打印技術(shù)使用數(shù)字技術(shù)來(lái)控制3D打印機(jī)，目前主要使用在工業(yè)設(shè)計(jì)、模具制造等領(lǐng)域當(dāng)中，航天、航空等高端制造領(lǐng)域也開(kāi)始應(yīng)用3D打印。在3D打印的過(guò)程中，使用了離散－堆積的思路，會(huì)利用一些特殊的添加劑，打印開(kāi)始時(shí)，會(huì)利用模型文件的切片細(xì)化結(jié)果，通過(guò)不斷調(diào)整、增材得到符合實(shí)際物質(zhì)要求的配件。完成對(duì)零件的初步加工之后，還可以繼續(xù)根據(jù)需求完善固體的形狀，比如拋光、打磨等處理。目前能夠利用到3D打印中的材料有很多，并發(fā)展出很多成型技術(shù)方法，生產(chǎn)工作中可以根據(jù)材料要求和技術(shù)要求選擇合適的技術(shù)。

1.2 3D打印的技術(shù)特點(diǎn)

3D打印是目前世界上快速發(fā)展的高新技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)模式上，3D打印技術(shù)將工業(yè)生產(chǎn)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)與制造分離，帶向一體化、信息化的方向，能夠最大程度節(jié)省人力、時(shí)間等方面的打印成本，有效提升了工作的效率。其次，在一些維修的而工作中，3D打印技術(shù)融入了信息化技術(shù)，因此設(shè)計(jì)工作不需要大量使用紙張和顏料，有效避免了生態(tài)污染和能耗，具有明顯的綠色環(huán)保屬性。作為一種重要的高新技術(shù)，3D打印技術(shù)在促進(jìn)了很多行業(yè)的發(fā)展，對(duì)于提升工業(yè)生產(chǎn)水平有著非常重要的意義。

從經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的角度來(lái)看，3D打印技術(shù)降低了制造的門(mén)檻，很多零件不需要在工廠完成生產(chǎn)，在家或者一些工作室都可以使用3D打印根據(jù)自己的需求和喜好打印出個(gè)性化的小物品。而隨著技術(shù)的成熟，在開(kāi)源軟件和設(shè)備的支持下，人們可以自行進(jìn)行3D打印機(jī)的組裝，也可以利用掃描獲得物品的3D數(shù)字建模。

2 3D打印汽車零部件的優(yōu)勢(shì)

3D打印技術(shù)的核心優(yōu)勢(shì)在于能夠基于信息化的要求生成各種形狀的物體，和傳統(tǒng)制造業(yè)的建材制造相比，3D打印技術(shù)在研發(fā)上有著周期更短、研發(fā)可視化性能更強(qiáng)、自由拓展能力更強(qiáng)、制造成本低和生產(chǎn)效率高的優(yōu)勢(shì)[2]。3D打印技術(shù)已經(jīng)成為目前制造業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容和關(guān)鍵方向，結(jié)合目前的研發(fā)手段，使用3D打印技術(shù)可以對(duì)汽車零部件進(jìn)行快速地生產(chǎn)，而且在零部件可行性的驗(yàn)證過(guò)程中，也能夠進(jìn)行優(yōu)化和完善，有利于縮短汽車零部件的研發(fā)周期，并大幅度降低生產(chǎn)成本。比如在進(jìn)行缸蓋、同步器開(kāi)發(fā)和塑料部件的生產(chǎn)中，可以保證對(duì)重點(diǎn)零部件質(zhì)量進(jìn)行快速驗(yàn)證。

另一方面，使用3D打印技術(shù)開(kāi)展相關(guān)工作，不需要進(jìn)行任何模具的加工，很大程度上降低了模具開(kāi)發(fā)、制造過(guò)程中的工序，而且能夠有效節(jié)省對(duì)技術(shù)研發(fā)過(guò)程中的工序，降低了工作中設(shè)備和人力的投入。從目前的情況上來(lái)看，很多零件的模具開(kāi)發(fā)周期都在3個(gè)月以上，使用3D打印技術(shù)能夠在不借助刀具、模具和工夾的情況下，僅用1周就完成高復(fù)雜性零件的生產(chǎn)，這就使得3D打印有了明顯的高效性。

目前，3D打印技術(shù)已經(jīng)突破了過(guò)去單純使用樹(shù)脂的局限，能夠使用化和塑料、金屬材料，成型周期和傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)方式相差無(wú)幾。在使用金屬材料時(shí)，會(huì)使用激光或者電子束對(duì)金屬粉末進(jìn)行熔化處理，使其能夠分層進(jìn)行金屬地堆積，從而形成金屬部件。而在汽車零部件制造的應(yīng)用中，利用3D打印技術(shù)能夠省去模具開(kāi)發(fā)的步驟，可以進(jìn)行金屬材質(zhì)零件的直接制造，再加上目前的3D打印精度很高，因此金屬零部件的力學(xué)指標(biāo)都能搞達(dá)到鍛造件的水平。

3 3D打印在汽車制造中的應(yīng)用

3.1 零部件的制造

汽車制造的過(guò)程中，會(huì)有很多不同種類的零件，零件的制造周期、成本、消耗都是汽車制造的重要指標(biāo)，為了能夠縮短汽車的開(kāi)發(fā)周期，通過(guò)在汽車行業(yè)中引進(jìn)3D打印技術(shù)，能夠提升零件的制造效率，并且能夠大幅度提高零件的生產(chǎn)質(zhì)量，最終降低零件的生產(chǎn)成本[3]。在使用3D打印進(jìn)行汽車零件的生產(chǎn)時(shí)，可以及時(shí)地進(jìn)行零件設(shè)計(jì)中的細(xì)微偏差進(jìn)行挖掘，而且可以快速審核部件的工作原理和可行性，從而有效縮短零部件的開(kāi)發(fā)周期。例如在進(jìn)行橡膠、塑料和缸蓋類的輔助零件時(shí)，其中不需要使用任何的模具和金屬，可以有效簡(jiǎn)化復(fù)雜的模具加工，明顯節(jié)省制造環(huán)節(jié)中的人力設(shè)備資源，以及降低成本上的投入。

3.2 輕量化零件的高效制造

為了能夠推動(dòng)汽車制造行業(yè)的綠色化和可持續(xù)化的發(fā)展，汽車行業(yè)已經(jīng)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)要求，要求汽車的生產(chǎn)過(guò)程能夠朝著出節(jié)能減排、輕量化操作的方向轉(zhuǎn)化，提升汽車制造的環(huán)保節(jié)能水平。目前，很多汽車都會(huì)降低自身重量減少能量消耗，從而降低汽車內(nèi)部各種零部件的重量，一些企業(yè)根據(jù)市場(chǎng)和環(huán)保的要求，來(lái)對(duì)材料、零件采取輕量化的方式進(jìn)行制造。3D打印是目前能夠?qū)崿F(xiàn)零件輕量化制造和降低質(zhì)量的位移途徑，比如對(duì)全尺寸的保險(xiǎn)杠制造，就可以使用3D打印進(jìn)行快速有效加工，所獲得的零件和傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比質(zhì)量更輕，并且也能滿足質(zhì)量的要求。

3.3 復(fù)雜模具的制造

在汽車行業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，汽車的零件并沒(méi)有朝著簡(jiǎn)單化發(fā)展，相反很多零件要求更加復(fù)雜，所以對(duì)于模具的制造要求相比以往更高，制造難度也在不斷增加。在傳統(tǒng)的模式下所制造的零件，如果遇到零件外形復(fù)雜、結(jié)構(gòu)不合理這類情況時(shí)，模具只能通過(guò)拼接、鑲嵌的方式制造，導(dǎo)致零件的生產(chǎn)很難保證精確性，而且會(huì)嚴(yán)重降低零件的使用壽命，還會(huì)增加汽車的生產(chǎn)時(shí)間和復(fù)雜性。如果使用3D打印技術(shù)進(jìn)行制造，可以使用SLS選區(qū)激光燒結(jié)技術(shù)，能夠進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)模具的加工，可以有效降低制造時(shí)間，而且可以更好地加強(qiáng)對(duì)制造精度的控制，從而有效提升模具的使用壽命。比如利用3D打印技術(shù)可以逐層對(duì)材料進(jìn)行堆積來(lái)獲得實(shí)體模型，并且通過(guò)使用3D打印中的SLS選取激光燒結(jié)來(lái)推動(dòng)整個(gè)模具的分層整合，達(dá)到制造融合的目的。

4 3D打印技術(shù)在汽車維修領(lǐng)域的應(yīng)用

4.1 應(yīng)用前景分析

如前文所述，3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在汽車零件的制造中優(yōu)勢(shì)是明顯的，而在進(jìn)行少量先進(jìn)車型的零部件維修和更換時(shí)，有時(shí)可能由于零部件的數(shù)量比較小，再進(jìn)行模具的開(kāi)發(fā)就會(huì)導(dǎo)致大量的浪費(fèi)，從而造成零部件的生產(chǎn)成本明顯提升。很多 4S店也不可能保證所有的車型的部件都配齊，尤其是對(duì)于一些已經(jīng)下線的車型，必然會(huì)做出庫(kù)存調(diào)整，而不是長(zhǎng)時(shí)間保留零部件。企業(yè)也不可能對(duì)零部件的生產(chǎn)工作進(jìn)行安排，于是就造成了汽車維修的困難，一些車輛會(huì)提前報(bào)廢。目前，很多私家車會(huì)連續(xù)使用十幾年甚至二十幾年，但是由于汽車的更新速度比較快，很多汽車生產(chǎn)企業(yè)不能持續(xù)生產(chǎn)已經(jīng)下線的汽車零部件，會(huì)讓汽車的維修變得極為困難。而使用3D打印技術(shù)，只需要保留汽車零部件的加工數(shù)據(jù)、3D數(shù)字模型等文件，就可以將零部件打印出來(lái)，這樣能夠避免長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行零部件維修帶來(lái)的影響，從而最大幅度地節(jié)約生產(chǎn)成本。

另一方面，目前汽車維修工作會(huì)使用很多特殊的工具，但是這些工具的需求量很低，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高而且購(gòu)買(mǎi)困難。而對(duì)于從業(yè)人員，只需要使用3D打印技術(shù)就能解決自己的需要，滿足對(duì)特殊工具的需求。如果工具存在缺陷，那么通過(guò)調(diào)整參數(shù)就可以進(jìn)行修改，這也有利于是維修人員經(jīng)驗(yàn)交流時(shí)研究新工具，促進(jìn)維修人員維修技術(shù)的改進(jìn)和提升。

4.2 生產(chǎn)維修工具的3D打印

使用3D打印技術(shù)獲得維修工具時(shí)，需要考慮原有工具的大小、尺寸、形狀等參數(shù)能夠滿足部件的特殊要求，工具數(shù)字模型創(chuàng)建時(shí)，一般都會(huì)是使用三維逆向掃描技術(shù)，獲得工具的數(shù)字模型文件。可以使用高性能復(fù)合材料，根據(jù)需求調(diào)整作業(yè)速度、層厚，根據(jù)相關(guān)的規(guī)章完成對(duì)工具的打印[4]。比如對(duì)維修扳手進(jìn)行打印時(shí)，首先要建立起維修扳手的數(shù)字模型，然后使用RorE系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行切片處理，然后使用3DP技術(shù)來(lái)明確扳手的尺寸，之后用融合材料工具進(jìn)行打印處理，并在打印結(jié)束繼續(xù)后續(xù)的打磨等工作。維修技術(shù)人員可以根據(jù)自身需求來(lái)對(duì)扳手進(jìn)行簡(jiǎn)單地調(diào)整，讓扳手能夠符合標(biāo)準(zhǔn)和使用要求。通過(guò)使用3D打印獲得工具，可以降低制造周期和縮減生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)工作的效能。

4.3 維修零件的3D打印

由于汽車維修和汽車的生產(chǎn)并不相同，汽車廠商為保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)會(huì)限制各種零件數(shù)據(jù)的分享，因此很難從汽車企業(yè)獲得數(shù)字模型。因此一般都會(huì)采用實(shí)物掃描的方式獲得數(shù)字模型。通過(guò)使用紅外線設(shè)備，可以進(jìn)行實(shí)物掃描，獲得實(shí)物的模型，然后可以進(jìn)行數(shù)字模型的切片，并獲得零件的模型。然后就可以利用相關(guān)零件的材料進(jìn)行3D打印，比如使用高分子材料進(jìn)行打印工作，可以制造汽車的后視鏡，有效控制打印成本。載入出現(xiàn)汽缸故障問(wèn)題，也可以利用3D打印技術(shù)進(jìn)行緊急處理，保證零件可以在短時(shí)間之內(nèi)重復(fù)使用，延長(zhǎng)汽車零部件的壽命。目前的汽車維修行業(yè)當(dāng)中，通過(guò)使用3D打印技術(shù)已經(jīng)能夠進(jìn)行門(mén)把手、輪轂、汽缸、變速器的3D打印工作，很多基礎(chǔ)部件都能利用3D打印技術(shù)制作，從而保證了維修的效率和經(jīng)濟(jì)收益。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)施工3D打印技術(shù)，可以滿足特殊零件的生產(chǎn)和修理需要，汽車修理技師也能使用3D打印制造自身所需的工具，滿足日常工作的需求。因此，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)3D打印技術(shù)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用的研發(fā)，推動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)制定，促進(jìn)汽車行業(yè)的發(fā)展。