3D打印在汽车零部件行业中的应用

贾绍勇

摘要：本文探讨了3D打印在汽车零部件行业中的应用与发展，结合具体实例说明3D打印在汽车零部件行业的应用，汽车底盘、内饰、车身外覆盖件等很多零部件都已成功运用ABS塑料和碳纤维材料作为基础材料，实现了3D打印，3D打印技术具有其他成型加工方法难以比拟的优势， 3D打印技术在汽车零部件领域具有广阔的应用前景。

Abstract： This paper discusses the application and development of 3D printing in automobile parts industry， and illustrates the application of 3D printing in automobile parts industry with concrete examples， many parts， such as automobile chassis， interior decoration and body outer covering parts， have successfully used ABS plastic and carbon fiber materials as the basic materials to realize 3D printing. 3d Printing Technology has the advantage that other molding processing methods can not match， 3d Printing Technology has a broad application prospect in the field of automobile parts.

关键词：3D打印;汽车零部件;应用

Key words： 3d printing;auto parts;applications

中图分类号：U466                                       文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2020）23-0097-02

0  引言

现有汽车零部件企业，不仅要保证汽车厂常规车型的供货，而且还要保证整车厂研发新车型零件的供给，随着人民生活水平的提高，我国的汽车保有量逐年提高，个性化多功能绿色环保等要求使得新产品开发的速度越来越快。这就要求零部件企业必须跟上整车厂的研发速度。传统汽车零部件的制造工艺主要依赖于机床和模具进行加工，模具生产制造周期长，难以满足整车厂开发进度要求，而3D打印技术的应用给汽车零部件制造带来了根本性的变革。

1  3D打印技术

1.1 3D 打印的概念  3D是快速成形技术中的一种，也称之为增材制造。使用粉未金属材料、塑料等粘合材料，通过逐层打印的方式构造物体的技术。通常是采用数字技术材料打印机来实现的。该技术在汽车工业、航空航天、建筑、医疗等行业有着广泛的应用。随着计算机数字技术的发展，打印机打印精度的提高，打印新材料的不断诞生，应用范围更加广泛。目前应用比较广泛的3D打印成型工艺主要有：选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、直接金属激光烧结（DMLS）、立体光固化成型（SLA）、熔融沉积成型（FDM）、分层物体制造（LOM）等，不同类型的工艺在不同的领域有着应用的优势。

1.2 3D打印的产生  1983年，美国人查尔斯·赫尔（Charles hull）发明了立体平板印刷技术（Stereo Lithography Appearance），简称SLA。它的原理是采用光照的办法催化光敏树脂，然后成型制造。1993年，麻省理工学院发明了一种全新的3D打印技术。这种技术类似于喷墨打印机，通过向金属、陶瓷等粉末喷射粘接剂的方式将材料逐片成型，然后进行烧结制成最终产品。

1.3 3D打印的原理

1.3.1 FDM熔融沉积技术  该技术是将丝状热熔性材料加工热熔化，同时打印机喷头在计算机控制下，沿X轴方向前进，工作台则沿Y、Z轴方向移动，将材料涂在工作台上，完成一层后，工作臺下降一个分层厚度，然后重复以上步聚，直到工件完全成形。

1.3.2 SLA立体光固化成型技术  光固化成型技术又称为立体光刻技术，是基于液态光敏树脂发生聚合反应变硬，从而造形。采用激光作为光源，汇聚成0.1mm左右的光斑，通过计算机控制扫描器，引导激光束在XY平面扫描，液态树脂在光照射下迅速发生光聚合反应并从液态转变为固态，然后制作平台下降一定距离（0.05-0.025之间），新的固化层覆盖在上一层，依次循环，直到最终模型成型。

1.3.3 SLS选择性激光烧结  选择性激光烧结加工过程使用的原料为聚碳酸酯、尼龙、纤细尼龙、合成尼龙、陶瓷、金属等，采用将一层粉末材料平铺在工作台上，并加热至恰好低于该粉末烧结点的某一温度，控制激光束按照该层的截面轮廓在粉末上扫描，使粉末的温度升至熔化点，进行烧结，并与下面已成型的部分实现粘结。当一层截面烧结完成后，工作台下降一个层的厚度，铺料辊又在上面铺上一层均匀密实的粉末，进行新一层截面的烧结，直至完成整个模型。

2  3D打印在汽车零部件行业的应用

汽车新产品更新换代速度越来越快，研发周期越来越短，整车配套零部件企业如果还按传统制造方法生产，将难以满足整车厂的要求进度，3D打印技术日益成熟，设备功能是日益完善，整机价格持续下降，使得3D打印迅速在汽车外饰件、内饰件、模具上得到广泛应用。

2.1 汽车零部件设计  在汽车零部件设计方面，由于3D打印的快速成型特性，彻底改变了传统汽车零部件的设计制造流程，由以往设计制图、工艺设计、模具设计、零件制造、组装验证、设计修改、模具修正、零件制造这样一个长流程的设计制造过程，有了3D打印后，研发人员可以在几天或几小时内通过电脑制作出零件模型，再用3D技术直接将图纸打印成零件。减少了零件设计、工艺设计、模具设计制造、零件验证等许多环节，使得汽车零部件制造过程周期缩短，制造成本低，生产效率更高。因此，3D打印技术在汽车零部件制造上，尤其是新产品开发上应用越来越广泛。

随着3D打印技术的发展，材料选择的多样性，在汽车零部件新产品研发时就可以选择不同材料、不同的机械性能进行零件制作，使得设计人员在新产品开发的前期，就能够进行不同材料进行比对，机械性能的测试，在设计阶段可以方便进行设计缺陷的修正和完善。提高了汽车零部件在设计层面的生产效率，大大降低了汽车行业新产品开发的成本，缩短了新产品试验周期。

2.2 汽车内外饰件  在汽车零部件制造厂商中，汽车新产品零部件样件开发量很大，尤其是汽车内外饰零部件，其零件结构越来越复杂，比如为了降低风阻，要求形状多曲面光滑连接，以往由于模具制造的限制，不能按最优曲面结构设计，只好以牺牲部分性能为代价来满足零件的制造要求。而3D打印技术的出现很好的解决了此类问题。在材料方面不局限于树脂或工程塑料，金属材质也可以很快速成形。根据统计，3D打印技术的应用，使汽车零部件在开发周期上缩短40%，开发成本降低20%。由于节能减排绿色环保要求，轻量化设计要求越来越高，如保险杠、挡泥板、车灯等外饰件。西沃客车控制面板采用SLA 3D打印，制造周期为4天，整车测试后反应良好，标致4008的空调箱采用SLS3D打印，制造周期为3天，测试后性能稳定。汽车内饰件如仪表板、方向盘、空调排气盖板、手套盒、操纵杆相比传统制造方式，3D打印就可以降低设计成本，同时精确还原产品形状。民用版东风猛士2.5×2m的仪表操控台采用SLS、SLA 3D打印，制造周期仅用15天，测试后使用良好。

2.3 在维修和改装领域的应用  3D打印对汽车维修技术、备件库存带来颠覆性的改变。对于紧缺无库存零部件更换维修时，开发相关模具浪费大，成本高，时间长。当有了3D打印技术后，技术人员只要对拆卸下来的零件扫描，进行参数修正，即可通过3D打印直接修复或打印出紧缺零部件，延长关键结构的寿命。当维修进口车时进口零件需要时间较长，难以满足用户使用要求。在汽车维修中经常使用专用工具，某些工具需求量少，购买困难，3D打印可以直接解决这个问题。随着个性化消费的兴起，购买车辆后进行改装的人会越来越多，需要改装的零件五花八门，难以组织生產，当有了3D打印技术后，这些问题迎刃而解。

2.4 汽车零件模具  汽车上使用的零部件大部份通过模具进行生产，对于复杂结构产品的模具，使用传统工艺制造方法难以加工，不得已牺牲零件性能。传统模具制造过程：对零件图纸进行工艺制定、模具设计制造、零件验证、模具修整、零件验证几个过程反复，直到生产出合格零件，导致周期长，成本高。相对模具制造过程，3D打印可以直接打印生成模具，节省成本提高效率。

①直接制作手板：SLS、SLA、FDM等这几种3D打印工艺都能制作手板，只是制作出来的手板的精度、强度和表面质量有区别，这也是目前3D打印技术最常见的应用方式。②间接制造模具：即利用3D打印的原型件，通过不同的工艺方法翻制模具，如硅橡胶模具、石膏模具、环氧树脂模具、砂型模具等。③直接制造模具：金属3D打印，在模具行业就更具优势了，比如可以用于制造异形水路镶件。相比传统的水路而言，3D打印异形水路具有冷却时间短、产品质量高等特点。

2.5 个性化设计  随着生活水平的提高，人们的个性化要求越来越多，3D打印可以短期低成本满足人们的个性化要求。比如，消费者希望让自己新车外观及内饰与众不同，如果采用传统工艺开个新模具，其成本数十万元计，但运用3D打印快速成型，无须额外制造模具，最大限度精简制作工序降低成本。

3  3D打印在汽车零部件行业应用优势

①汽车零部件按传统制造工艺，研发到测试阶段还需要制作零件模具，不仅时间长成本高，当存在问题时，修改零件结构也需要同样漫长的周期。难以满足整车开发进度要求：即快速进行设计确认、装配确认、功能确认、材料确认、和生产确认，而3D打印技术的应用则能让零部件制造商满足以上几点要求，当测试出现问题时，修改3D文件或更改材料重新打印即可再次测试。可以说，3D打印技术让未来零部件的开发成本更低，效率更高。②可以讯速适应整车厂设计更新，使得零部件制造优化设计，加速产品概念验证流程。③以前汽车部件研发采用CNC机床或者手工制造，包括切削、钻孔、粘接等工艺，模具开发制造费时费力，还难以满足要求。3D打印快速成型工艺，大大缩短了产品设计和原型开发所需的时间，并且能够实现快速修改设计方案并反复大量迭代。④3D打印材料多样，可以根据机械性能选择材料。金属3D打印技术不断成熟，给汽车制造带来深远的影响，不同于铣削、喷涂、冲压和铸造等传统制造工艺，3D打印可生产任意造型的产品，包括具备空腔或蜂窝结构的创新型轻量化组件。

4  结束语

3D打印技术在汽车零部件的开发过程中，可以一次性打印多种具备不同机械性能材料的产品，在产研发试制阶段进行评估选择，相比传统制造方式，不仅有效缩短零件的试制周期、减少生产成本，还可以精确还原产品形状和材料特性，进行评估后可以迅速修改、制造新的样件。当前随着3D打印在汽车领域的渗透发展，国内外汽车厂家如福特、宝马、大众、本田、吉利、北汽等整车厂在3D打印应用上取得令人满意的效果。随着3D技术不断发展，打印材料进一步增加，3D打印设备价格下降和功能日趋完善，3D打印技术在汽车上的应用也越来越广泛。

参考文献：

[1]陈兴龙，陶士庆，李志奎，等.3D打印技术在模具行业中的应用研究[J].机械工程师，2016（1）：174-176.

[2]谷祖威，于慧.3D打印技术对汽车零部件制造业的影响[J].现代零部件，2013（9）.

[3]焦可如，鑫龙.3D打印技术在汽车制造中的应用研究[J].计算机产品与流通，2018（04）.

[4]陈星.试论3D打印技术在汽车行业的应用[J].时代汽车，2018（07）.