3D打印技術在汽車內燃機中的應用路徑研究

摘 要：近年來，3D打印技術作為一種新興的制造技術，以其獨特的制造方式和諸多優勢，逐漸在汽車內燃機領域中展現出廣闊的應用前景。它不僅可以實現復雜結構零件的快速制造，還能有效降低生產成本、縮短產品開發周期，為傳統與汽車內燃機及配件的相關制造業帶來了新的發展機遇。然而，盡管3D打印技術帶來了諸多機遇，其在汽車內燃機中的應用仍面臨諸多挑戰，例如材料種類和性能的限制、設備成本高昂、質量控制難度大等問題。因此，文章深入分析3D打印技術在汽車內燃機中的應用路徑，對于推動3D打印技術的廣泛應用、促進汽車內燃機制造業的轉型升級和創新發展具有重要的理論和現實意義。

關鍵詞：3D打印技術 汽車內燃機 應用路徑 生產效率

1 3D打印技術概述

1.1 基本原理

3D打印技術，又稱增材制造技術，是一種基于離散-堆積原理的制造工藝。通過計算機輔助設計（CAD）模型，將三維物體分解為一系列二維層面，然后按照這些層面逐層堆積材料[1]，最終形成所需的三維實體，具體流程如圖1所示。與傳統的減材制造技術相比，3D打印技術無需復雜的模具和機械加工，能夠直接從數字模型制造出實體零件，大大提高了生產效率和設計自由度[2]。

1.2 主要四種類型

1.2.1 熔融沉積成型（FDM）

熔融沉積成型（FDM）是最早商業化的3D打印技術之一，其工作原理是將絲狀材料（如PLA、ABS等熱塑性塑料）通過加熱裝置熔化后，由噴嘴擠出并在構建平臺上逐層堆積成型。FDM技術具有成本較低、操作簡單、材料種類豐富等優點，適用于快速原型制作和一些非精密零件的制造。FDM技術的材料利用率較高，可以通過計算材料利用率來評估其經濟性。材料利用率定義為實際使用材料重量與總材料重量的比值，如式（1）所示，FDM技術的材料利用率可達70%以上。

1.2.2 光固化立體成型（SLA）

光固化立體成型（SLA）利用紫外光照射液態光敏樹脂，使其逐層固化成型。該技術具有較高的精度和表面質量，適合制造復雜形狀和高精度要求的零件。SLA打印的零件表面質量是其重要優勢之一，表面粗糙度（Ra）是衡量表面質量的關鍵指標，SLA打印的零件表面粗糙度可低至1.6μm，其計算公式如式（2）所示：

1.2.3 選擇性激光燒結（SLS）

選擇性激光燒結（SLS）使用激光束選擇性地燒結粉末材料（如塑料、金屬、陶瓷等），逐層構建零件。它可以處理多種材料，廣泛應用于航空航天、汽車等高端制造領域[3]。SLS技術的優勢在于能夠制造出具有復雜內部結構和高強度的零件，且無需支撐結構，減少了材料浪費。SLS技術制造的零件強度是其重要性能指標。零件強度可以通過最大拉力與橫截面積的比值來計算，SLS制造的金屬零件強度可達500MPa，計算公式如式（3）所示：

2 3D打印技術在汽車內燃機中的應用領域

2.1 生產零部件制造

2.1.1 復雜零部件的直接制造

傳統制造工藝在生產復雜形狀的汽車內燃機配件時，往往需要復雜的加工設備和工藝流程，成本高昂且生產周期長[4]。而3D打印技術可以直接從數字模型制造出復雜形狀的零部件，無需復雜的模具和機械加工[5]。傳統制造方式中，復雜零部件的生產成本主要由模具成本和加工成本組成。3D打印技術無需模具，直接從數字模型制造零件，因此可以大幅降低模具成本。假設傳統制造方式的模具成本為C模具，加工成本為C加工，3D打印的材料成本為C材料，則總成本分別為：

傳統制造總成本=C模具+C加工?

3D打印總成本=C材料?

通過對比可以看出，3D打印技術在制造復雜零部件時具有顯著的成本優勢。

2.1.2 小批量零部件的快速生產

傳統制造方式在小批量生產時，由于需要開模和調整設備，導致生產成本較高。而3D打印技術可以根據需求快速打印出所需數量的零部件，大大降低了小批量生產的成本[6]。3D打印技術在小批量生產中的效率優勢可以通過生產周期來衡量，生產效率提升可以通過式（4）進行計算。

2.1.3 配件制造與維護

3D打印技術在配件制造中的優勢可以通過減少設備停機時間來體現。假設傳統制造方式的配件生產周期為T傳統，3D打印的配件生產周期為T3D打印，則設備停機時間的減少可以通過式（5）進行計算。

2.2 模具制造

2.2.1 快速制造復雜模具

傳統模具制造方法在制造復雜形狀的模具時，往往需要耗費大量時間和成本。3D打印技術可以快速制造出復雜形狀的模具，提高模具制造效率。例如，在注塑成型中，3D打印的模具可以實現更復雜的冷卻通道設計，提高注塑件的質量和生產效率。

2.2.2 定制化模具制造

3D打印技術可以根據不同的產品需求，快速制造出定制化的模具。這對于一些小批量、多品種的產品生產具有重要意義，可以降低模具制造成本，提高生產靈活性。

2.3 產品設計與開發

2.3.1 快速原型制作

在產品設計過程中，3D打印技術可以快速將設計概念轉化為實物原型，幫助設計師和工程師及時發現設計問題并進行優化。這大幅縮短了產品開發周期，降低了開發成本。

2.3.2 產品創新與優化

3D打印技術為產品創新提供了更大的空間。設計師可以利用3D打印技術實現復雜結構和功能集成的產品設計，提高產品的性能和競爭力。

3 3D打印技術在汽車內燃機中的應用優勢

3.1 有利于提高生產效率

3D打印能夠快速將設計概念轉化為實物，縮短產品研發周期，使企業能迅速響應市場變化并調整生產計劃。同時，它可一次性完成復雜零部件的制造，減少傳統制造所需的多道工序和設備占用，進一步提升生產效率。傳統制造與3D打印生產效率對比如表1所示。

3.2 有利于降低成本

3D打印采用逐層添加材料的方式，相比傳統制造的切削加工等減材制造方法，材料利用率更高，浪費更少，從而降低材料成本。此外，在傳統制造中，模具的制造和維護成本較高，尤其是小批量和定制化生產時。而3D打印無需模具，可直接制造零部件，有效降低模具成本。

3.3 有利于增強產品定制化能力

隨著消費者對個性化產品需求的增長，3D打印技術能夠根據每個客戶的特定需求，快速制造獨一無二的產品，滿足市場對多樣化產品的需求。并且，允許設計師在不增加額外成本的情況下，靈活地對產品設計進行調整，輕松實現產品的定制化制造。

3.4 有利于提升產品質量

3D打印技術可以精確制造復雜結構，提高零部件的質量和性能，如在航空航天領域所需的汽車內燃機配件，通過3D打印制造的零部件具有更高的強度和輕量化特性，有助于提升飛行器性能。此外，3D打印能夠制造一體化的復雜零部件，減少傳統制造中多個零件裝配帶來的誤差，從而提高產品的整體質量。3D打印與傳統制造質量對比如表2所示。

4 推動3D打印技術在汽車內燃機中應用的策略

4.1 加強技術研發

首先，目前3D打印材料在種類和性能上仍有限制，加大研發投入，開發更多種類、更高性能的材料，將滿足不同行業對材料的特殊需求，拓展3D打印技術的應用范圍。其次，提高設備性能也是技術研發的重點。3D打印機的打印速度和精度直接影響生產效率和產品質量。

4.2 完善標準體系

在材料標準方面，建立統一的3D打印材料標準，明確材料的性能指標、測試方法等，能夠確保材料的質量和穩定性，為生產企業提供可靠的原材料保障。在設備標準方面，3D打印機的性能和安全性直接關系到生產過程的安全和產品質量。制定3D打印機的性能標準和安全標準，規范設備的生產和使用，能夠提高設備的可靠性和安全性。

4.3 加大人才培養力度

高校可以加強與企業的合作，了解行業對人才的需求和技能要求，將實際生產案例和項目引入教學過程，提高學生的實踐能力和解決實際問題的能力。在校企合作方面，高校與企業之間的緊密合作是培養優秀3D打印技術人才的有效途徑。

4.4 促進產業協同發展

建立產業聯盟是促進協同發展的重要舉措之一。由行業協會或龍頭企業牽頭，詳細調研當今汽車內燃機市場所需，聯合3D打印設備制造商、材料供應商、零部件制造商、終端用戶等各方力量，共同建立產業聯盟。通過產業聯盟，企業之間可以加強合作與交流，共同開展技術研發、標準制定、市場推廣等活動，形成產業發展的合力。

5 結論與展望

3D打印技術作為一種具有革命性的制造技術，在汽車內燃機及其配件的制造、設計、性能優化等領域展現出廣闊的應用前景。通過在生產零部件制造、模具制造、產品設計與開發等領域的應用，3D打印技術能夠提高生產效率、降低成本、增強產品定制化能力，為汽車內燃機的設計，加工及維護帶來諸多優勢。

參考文獻：

[1]吉琳. 3D打印技術在機械制造自動化中的應用研究[J].造紙裝備及材料，2024，53（10）：79-81.

[2]傅彥深.淺析3D打印技術在機械制造中的應用[J].中國機械，2024（09）：64-67.

[3]雷作環. 3D打印技術在工業設計制造中的應用分析[J].造紙裝備及材料，2023，52（08）：108-110.

[4]沈玉玲. 3D打印技術在機械制造自動化中的價值及其應用[J].造紙裝備及材料，2023，52（12）：91-93.

[5]丁祎，宋欣鋼，劉海娜.論3D打印技術在機械自動化中的應用[J].農機使用與維修，2021（08）：9-10.

[6]劉亞紅. CAD技術在內燃機配件設計中的應用[J].內燃機與配件，2024（06）：91-93.