3D打印技術在汽車研發(fā)試制中的應用與發(fā)展趨勢

周敏　劉鋒　楊才峰　陸奇能

摘 要：本文首先介紹了當下各車企研發(fā)階段所面臨的降本提效的挑戰(zhàn)以及3D打印技術的發(fā)展為汽車研發(fā)降本提效帶來的機遇。其次對汽車研發(fā)試制和汽車領域常用的四種3D打印技術進行的展開介紹。并結合實際經(jīng)驗，對四種3D打印技術在汽車研發(fā)試制階段的不同適用場景進行了總結。最后，對3D打印未來在樣車及樣件試制領域中大尺寸、材料多元化、規(guī)模集約化、低成本化和多工藝融合五個方向的發(fā)展趨勢進行了歸納。

關鍵詞：汽車試制 3D打印 汽車研發(fā) 樣車試制 樣件試制

1 引言

近年來，在國家政策的支持下，汽車電動化迅速發(fā)展。各路造車新勢力如雨后春筍般涌現(xiàn)，為汽車制造業(yè)帶來了生機，同時也帶來了更大的挑戰(zhàn)。一方面，用戶在變化，以往的用戶更多地關注汽車的性能，質量，現(xiàn)在的用戶更加關注汽車的個性化，智能化等。在滿足用戶需求上，造車新勢力推出一款新產(chǎn)品周期約為2～3年，而傳統(tǒng)車企則需要3～5年，周期長，無法滿足用戶日益變化的，個性化的需求。另一方面，競爭格局在變化，中國汽車市場競爭加劇，以往不被看好的國產(chǎn)車，沿著新能源賽道正逐步實現(xiàn)追趕，甚至實現(xiàn)彎道超車。各車企不得不打價格戰(zhàn)，利潤空間被極限壓縮。如何以更快的速度，更低的成本推出滿足中國市場用戶的汽車產(chǎn)品，是每個車企當下所面臨的挑戰(zhàn)。

在汽車研發(fā)的V字模型中，試制承擔著將設計師想法由虛擬轉為現(xiàn)實，提供各類試驗載體進行造型驗證，功能驗證的重要職責。每款車型僅試制階段約為2年，試制成本占研發(fā)費約10%，究其根本，使用試制模具制作小批量樣件是試制階段花費高周期長的原因。如果能改善此方式，則試制降本提效就能實現(xiàn)。

3D打印技術的發(fā)展為上述想法提供了一種可能。據(jù)左世全《增材制造十年發(fā)展及展望》[1]數(shù)據(jù)顯示，在過去十年我國的3D打印制造產(chǎn)業(yè)取得了很好的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)規(guī)模在2012～2022年間由10億元增至320億元。其在航空航天，醫(yī)療和汽車領域都有非常好的發(fā)展。

3D打印的技術核心在于“降維”。就是將三維數(shù)模轉化為二維的切片，再通過逐層打印的方式制造零部件。相比其他樣件試制工藝，其特點在于：

a．所制造零件不受零件造型和結構限制，可以360°無死角加工；

b．不需要制作模具及夾具，因此制作周期更短，成本更低。

2 汽車研發(fā)試制簡介

汽車研發(fā)試制屬于批量開發(fā)階段，使用試制手段呈現(xiàn)設計師想法，是最早見證新產(chǎn)品實物的階段，其主要業(yè)務大致可以分為三類，即樣車試制，模型試制和樣件試制。

樣車試制：主要指概念車，試驗車，原型樣車，色彩驗證車等。其目的在于驗證造型設計，色彩定義，零部件、系統(tǒng)或整車功能性能等。

模型試制：主要指內外飾模型，人機工程學模型，色彩模型，風洞模型等。其目的在于驗證設計師的想法，人機工程學或風阻系數(shù)等是否滿足要求。

樣件試制：主要指使用真空注塑，低壓注塑，CNC銑削等工藝生產(chǎn)汽車相關零部件，如內外飾，底盤范圍零件等。其目的在于對零部件的結構驗證，或支撐樣車及模型的制作。

3 3D打印技術簡介

3D打印技術被認為是改變世界的技術。自1984年面世以來，經(jīng)歷了商業(yè)化發(fā)展（1988-1992）和蓬勃發(fā)展期（2006-2014）。國內3D打印行業(yè)是在過去十年內得到了迅猛發(fā)展。根據(jù)3D打印的成型方式，大致可以分為光聚合成型，材料擠壓成型，材料/粘合劑噴射成型，粉末床熔化成型，直接能量沉積成型五大類[2]。

盡管3D打印技術百花齊放，實際應用中常見的只有SLA，SLS，F(xiàn)DM和SLM四種。下面就4種工藝及特點進行簡要介紹：

SLA：SLA的原材料是光敏樹脂，通過控制激光聚焦到液態(tài)光敏樹脂表面，發(fā)生聚合反應，使光敏樹脂固化成型。隨著升降臺逐層下降，光敏樹脂逐層固化疊加形成零件。

SLS：SLS的原材料多為粉末，使用激光器逐層將粉末加熱熔化并粘結到一起。供料缸上行逐層鋪粉，成型缸逐層下移完成燒結。

SLM：SLM為金屬3D打印，可使用鋁合金，不銹鋼，鈦鎳合金等多種原材料，其成型原理與SLS相同，區(qū)別在于激光器的功率更高。

FDM： FDM的原材料為線材。通過加熱頭將線材熔化，通過設備的機械運動控制材料按零件外形進行逐層涂覆。

各成型工藝材料性能，加工速度和樣件質量各有優(yōu)缺點，與常見的小批量工藝對比如表1所示。

總體而言，相較于其他快速成型工藝，3D打印工藝適用于需求量少，尺寸小且工期緊的應用場景。

4 3D打印技術在汽車試制中的應用

3D打印技術在汽車試制中的應用主要包括：

a．焊裝及總裝模具及工裝輔具

b．零部件造型驗證

c．小批量快速樣件試驗車裝車保障

d．硅膠模母件/嵌件制作

e．零部件結構方案優(yōu)化

在有數(shù)模數(shù)據(jù)的前提下，可以依據(jù)3D打印的工藝特點對數(shù)據(jù)進行加強，簡化等優(yōu)化，使用數(shù)據(jù)切片軟件進行編程打印加工。加工完成的樣件無法直接使用，需去掉毛刺，支撐，對表面進行打磨拋光處理才能符合要求。金屬打印更為特殊，需要使用CNC進行后處理加工，其表面精度方為最終狀態(tài)。

a．焊裝及總裝模具及工裝輔具

焊接試制車身時多為手工焊接，無法準確定位焊點和焊柱位置，導致焊接效率和質量低下。這時可使用SLS或SLA工藝制作焊點工裝輔具，協(xié)助工人迅速完成焊接[3]。

樣車總裝裝配或批量生產(chǎn)線在裝配內外飾零部件時，往往需要SLA工藝制作的輔具，來協(xié)助裝配工人確定裝配位置，如字標裝配輔具，座椅安裝定位輔具等。需注意的一點是，3D打印樣件在固化成型階段存在變形，可用于粗定位，但不建議用于精確定位。

SLM工藝在模具方面也有應用，鉑力特使用SLM工藝制作了輪胎模具，成型時間僅為87h，大大縮短了輪胎的制作周期[4]。

b．零部件造型驗證

產(chǎn)品概念開發(fā)階段，零部件造型需經(jīng)過各級評審。通過查看虛擬的數(shù)據(jù)，無法直觀的判斷造型方案的優(yōu)劣。因此，可通過SLA或者FDM工藝快速制作出原型，將方案直觀地呈現(xiàn)在評委面前，可協(xié)助方案快速通過評審。圖5為SLA工藝制作并組裝后的水杯架造型展示樣件。

針對后裝市場或設計師天馬星空的想法也可以借助3D打印加工不受限的特點得以實現(xiàn)。

c．小批量快速樣件試驗車裝車保障

批量開發(fā)階段，為驗證整車功能和性能，需試裝約30～60輛試驗車。內外飾及電器控制器類支架以及臨時替代零部件等一些小尺寸零件可以通過SLS工藝進行試制。SLS工藝結合尼龍，尼龍及玻纖顆粒等材料所制作的樣件強度出眾，能滿足試驗車在未來1～2年內的各種測試。

d．硅膠模母件/嵌件制作

當需試制零件數(shù)量在30份左右時，往往會采用硅膠復模工藝進行小批量試制。若采用CNC數(shù)控銑削制作母件，投入的材料成本，設備折損等非常高昂。相反，采用SLA或FDM工藝制作母件，速度快，成本低。

而SLS工藝制作的卡扣，軟管內部支撐類附件，可以作為嵌件放入硅膠模具中進行一體澆注，減少粘接等后處理工作，強度也更有保障。

e．零部件結構方案優(yōu)化

電動車的盛行需要各車企極力挖掘整車輕量化潛力。西安鉑力特公司就鑄造的轉向節(jié)進行了輕量化處理，并使用SLM金屬3D打印一體成型，實現(xiàn)了33%的減重，進度和質量也得到了保障[4]。

5 3D打印技術在汽車試制領域未來發(fā)展趨勢

隨著汽車市場競爭加劇，3D打印技術勢必會迎來黃金發(fā)展期。但目前3D打印技術仍然存在著諸如原材料種類少，打印尺寸受限，企業(yè)方裝機量小不成規(guī)模等問題。所以，該技術未來在汽車領域的發(fā)展必然會向大尺寸，材料多元化，規(guī)模集約化，低成本化和多工藝融合方向進行發(fā)展。

大尺寸：當前SLS打印工藝的成型尺寸多在400mm上下，SLA和FDM工藝約在600-800mm，SLM工藝約為200-300mm。決定了只能制作小支架，A/B柱蓋板級零件。未來3D打印制作保險杠級零件也會成為現(xiàn)實。

材料多元化：常用的原材料包括尼龍，ABS，PA12，PA11，鋁合金，不銹鋼等。未來隨著技術精進，各類合金，復合材料粉末將會被研發(fā)并應用于汽車領域。

規(guī)模集約化：各主機廠為控制投入產(chǎn)出比，往往限制3D打印裝機量，一般為3～5臺。數(shù)量少或分散在各個部門。而傳統(tǒng)試制零部件供應商無法下定決心大量投資打印設備。所以，為彌補裝機量小帶來的產(chǎn)能不足問題，在各主機廠及零部件供應商內部建設集約化的3D打印中心是未來趨勢。

低成本化：當前常見工藝每克約4元，當行業(yè)充分競爭，裝機量迸發(fā)和原材料有多種選擇后，3D打印樣件的成本會進一步降低。現(xiàn)個別工藝已經(jīng)降低至0.8元每克。

多工藝融合：3D打印成型快，強度足，但制作大尺寸平面類零件時變形嚴重。未來在汽車領域，3D打印與真空注塑，低壓注塑，CNC銑削等工藝的組合，制作的零部件性能會更優(yōu)，效率也會更高。

參考文獻：

[1]左世全.增材制造十年發(fā)展及展望 [R] 增材制造產(chǎn)業(yè)年會. 2023.

[2]看制造業(yè)新技術如何改變世界.[M]經(jīng)濟學人.

[3]周秀梅，高志剛，張灝辰.3D打印技術在樣車試制車身焊接模板中的應用[J]. 時代汽車.2019（20）.

[4]王第伍，鉑力特介紹[M]. 2023.10.26.