浅谈3D打印技术在汽车研发领域的应用

罗文星　周旭

【摘 要】结合时下相对热门的3D打印及汽车两个话题，通过3D打印技术在某汽车研发企业的实际应用，从技术层面分析了适用于汽车研发工作的3D打印技术，并且描述了其适用范围。

【关键词】3D打印；汽车研发；价值

【Abstract】Combined with the 3D print and automobile two relatively popular topic，through 3D printing technology application in an automobile research and development enterprise，from the technical level of 3D printing technology for automotive research and development work，and describes its application scope.

【Key words】3D printing；Automotive research and development；Value

0 引言

3D打印技术是快速成型技术的一种，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，是一种先进的增材制造方法。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型，后逐渐用于一些产品的直接制造，已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工（AEC）、汽车，航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程以及其他领域都有所应用。

本文主要是针对3D打印技术在汽车在研发过程中的应用情况作一些介绍，通过实际应用案例分析其主要作用及应用范围。

1 3D打印主要技术分类

光固化（SLA—Stereo Lithography Apparatus）

该技术以光敏树脂为原料，将计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓为轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合反应，从而形成零件的一个薄层截面。当一层固化完毕，移动工作台，在原先固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂以便进行下一层扫描固化。新固化的一层牢固地粘合在前一层上，如此重复直到整个零件原型制造完毕（图1）。

选择性激光烧结（SLS—Se1ected Laser Sintering）

该法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多为各种粉未材料。在工作台上均匀铺上一层很薄的粉未，激光束在计算机控制下按照零件分层轮廓有选择性地进行烧结，一层完成后再进行下一层烧结。全部烧结完后去掉多余的粉未，再进行打磨、烘干等处理便获得零件。目前，成熟的工艺材料为蜡粉及塑料粉，用金属粉或陶瓷粉进行粘接或烧结的工艺还正在实验研究阶段（图2）。

熔融沉积（FDM—Fused Deposition Modeling）

FDM工艺的关键是保持半流动成型材料刚好在熔点之上（通常控制在比熔点高1℃左右）。FDM喷头受CAD分层数据控制使半流动状态的熔丝材料（丝材直径一般在1.5mm以上）从喷头中挤压出来，凝固形成轮廓形状的薄层，一层叠一层最后形成整个零件模型（图3）。

三维打印（3DP—3D Printer）

3DP技术是麻省理工学院发明并申请专利的，由ZCorporation公司进行商业化。该项技术自1994年发明并逐步走向市场后，在近年呈飞速发展趋势。该种成型工艺的原理是将粉末由储存桶送出一定分量，再以滾筒将送出之粉末在加工平台上铺上一层很薄的原料，喷嘴依照3D电脑模型切片后获得的二维层片信息喷出黏著剂，黏著粉末.做完一层，加工平台自动下降一点，储存桶上升一点，刮刀由升高了的储存桶把粉末推至工作平台並把粉末推平，再喷黏著剂，如此循环便可得到所要的形状。常用的ZCorp立体打印材料是石膏粉及淀粉，但亦有其他材料可供选用，如弹性塑料等。更有多种颜色的墨水可供選择，甚至可更换彩色墨头，即時打印出彩色工件（图4）。

Polyjet光固化技术

由以色列Objet开发的Ployjet技术。Polyjet的打印头类似于行式打印机，沿着X轴前后滑动，在成型室里铺上一层超薄的光敏树脂。每铺完一层后，喷头架边上的紫外光球立即发射紫外光，快速固化和硬化每层光敏树脂。这一步骤减少了使用其他技术所需的后处理过程。每打印完一层，机器内部的成型底盘就会极为精确地下沉，而喷头继续一层一层地工作，直到原型件完成。成型时使用了两种不同的光敏树脂材料：一种是用来成型实体部件的成型材料，另一种类胶体的用来支撑部件的支撑材料（图5）。

2 汽车研发对3D打印的需求

随着国内汽车市场的飞速增长以及出口量的增加，想要在这块越做越大的蛋糕中得到自己预期的份额，获取更多的客户，除了品牌推广，价格优势，性能提高以外，汽车设计以及产品差异化正起着愈发重要的作用，直接表现为汽车外观的造型，材料的选取，内部结构的合理布置以及性能的改进。同时，为应对残酷的市场竞争，汽车厂家必须以最低的成本开发出最受欢迎的车型，并且能在第一时间上市，赶在竞争对手的前面，才能够赢得市场。

采用3D打印技术能够有效缩短新车型的开发时间及成本，同时还能够在设计初期获得产品原型，给汽车研发参与者最直接的感受，从而确保新车型能够在推出市场后获得亲睐。相信随着3D打印技术的发展，国内汽车研发单位也充分认识到了3D打印在整车开发过程中的重要作用，进而越来越被广泛地应用于汽车产品的开发工作当中。

就3D打印最基本的功能而言，可归纳为以下几点：

1）设计验证：作为一种可视化模型的制作工具，用于设计验证、产品评估，在进行大批量生产之前，及时发现产品设计中存在的问题，为设计者及制造者、消费者之间架起一座沟通的桥梁。

2）功能验证：使用3D打印制作的原型件直接进行装配检验、干涉检查和模拟产品真实工作情况的一些功能试验，如运动分析、应力分析、流体和空气动力学分析等，从而迅速完善产品的结构和性能、相应的工艺及所需模具的设计。

3）可制造性验证：对于开发结构复杂的新产品，可事先验证零件的可制造性、零件之间的相互关系以及部件的可装配性。

4）模具制造：通过3D打印砂模，与传统制造铸造工艺相结合制造模具和金属零件。比如由3D打印制作真空铸造件和熔模铸造件的母模，直接制造注塑模等。

基于上述3D打印的功能，为满足某汽车研发单位在新车型开发、新总成件开发、展车制作时对样件的需要，应用3D打印技术是一项提高生产力的基础方法，可有效帮助汽车研发单位提升开发效率。为了论证3D打印技术实施的必要性，该单位进行了一些基础数据的分析工作。对该单位2010年到2013年之间零部件委外加工的情况进行分析发现，委外加工工作基本分成以下三类：

1）“塑料快速成型件”类主要是仪表板、立柱饰板、大灯、前格栅、门饰板等内外饰，材料ABS为主，金额占相当大的比列，达到51%；

2）“CNC加工”类主要是发动机悬置支架、压缩机支架、附件支架、油底壳，材料一般是铝合金，金额占17%；

3）“其它”类别的委外项目，主要包括线束、组合仪表、变速机构、模型加工等改制项目，金额占32%。

以上3个委外加工类别，“塑料件快速成型件”的金额超过一半；且对于“CNC”类的金属零件，如果只需要进行尺寸验证，是可以用快速成型的塑料件来替代的。而且目前采用新塑料合成材料用于汽车零部件的开发和试制已成为一种新的趋势，大部分国际汽车厂商都已经在汽车开发过程中引进塑料件快速成型技术。因此，应用非金属件的3D打印技术无疑成为汽车研发单位的首选。

3 适合于汽车研发的3D打印技术

前文已经介绍了3D打印技术的主要分类，而真正适合汽车研发的3D打印技术有其独特性。首先，汽车研发过程中需要用到3D打印零件时都几乎都要求能在最短的时间内能获得，所以，3D打印成型的速度是首要关注点；其次，汽车零部件不仅需要具备一定的强度和韧性，针对于部分发动机相关零件，如进气歧管，在做验证时还需要具有较高的耐热性，热变形温度通常不低于120℃，因此，3D打印所用的材料特性必须满足相应需求；再次，汽车零件相对较大，所以，3D打印设备的成型空间必须重点关注；最后，为降低汽车开发成本，3D打印件的成本也是应用单位非常重视的一个因素，这项内容包括3D打印设备的自身价格以及原材料的价格。基于以上这四点，就非金属件的3D打印技术，选择了熔融沉积法、光固法以及选择性激光烧结法这三类进行详细分析，并选择目前主流品牌作为参考进行模拟选型对比分析。

4 3D打印在汽车研发中的具体应用案例

4.1 设计验证

某新车型项目开发过程中需要对其换挡杆球头造型、门内饰板造型及外后视镜造型做评审和验证，委托S部门采用3D打印的方法制作了几套样件。3D打印制作人员通过对数模进行格式转换，摆放及切片处理，采用尼龙粉末进行粉末烧结3D打印制作了相应3D打印样件。通过样件的打印，实现了多方案的对比，一比一的实物评价，快速的将设计由图纸变成了实物，使得决策者在不同方案之间可以快速做出选择。

图6

4.2 功能测试

某新型发动机在开发过程中需要制作活塞及连杆，用于对其做运动分析。某车型的前格栅需要装车试验，对其进气效率及NVH性能进行分析。某款发动机装机初期，需要安装进气歧管对其进气量进行分析。此类样件的需求均由S部门采用粉末烧结3D打印完成样件的制作，并及时提供给设计部门，有效缩短了零件的开发周期，从而保证了整个项目的开发进度，受到广泛好评。

图7

4.3 可装配性检验

某新车型开发过程中，工程师提出需对外后视镜以及车内饰件的装配性进行验证。另外，由底盘及发动机相关零件需要对其装配性进行验证。S部门同样采用了3D打印技术制作小零件，充分验证了总成件的可装配性。另外，通过装配，使得总成件在车身的布置位置直观展现，工程师基于此可将该零件的布置进一步优化。

图8

5 3D打印为汽车研发带来的价值

以某汽车研发单位为例，3D打印为其带来的价值可从直接经济效益和无形价值两方面进行分析。

5.1 直接经济效益

随着企业规模的扩大，新车型项目增多，各车型内外造型也在寻求越来越多的变化，而且有些金属支架类的零件也可以用塑料成型件做为开模前尺寸的验证。3D打印件的应用范围逐步增加，参照该单位2014年至2016年拟委外快速成型塑料件金额1060万元计算，投资收益分析如下。

表2

实例对比：某A车型仪表板总成通過委外铣削快速成型制作费用约为8万元， 而通过3D打印自加工仅需要材料费七千元（采用粉末烧结3D打印，并考虑材料损耗），加上能耗及人工费用，总成本仅一万元左右，大大低于委外加工的成本。

5.2 无形价值

缩短了零件的开发周期

以上述某A车型仪表板的制作为例，委外加工周期预计2周左右，如将委外加工的采购流程加上预计接近2个月。而通过3D打印内部制作，制作周期可缩短至1周，流程耗时可忽略不计。依此推算，通过3D打印技术的应用，样件开发周期可缩短至少三分之二。此项时间的削减，对于整个项目的开发周期而言意义巨大。

屏蔽了数据泄密的风险

以往无论以任何形式外发制作的零件，都存在数据的先期发放问题。尚未定性的设计在整车上市发布之前就提供给外单位，需要承担严重的泄密风险，而此风险的影响甚至无法估量。通过3D打印技术的应用，无需再将数据发送给外单位，从根源上屏蔽了数据泄密的风险。

提升了企业的综合竞争力

作为汽车研发企业，对于新技术的应用程度无疑是展示其综合实力的一个重要评价指标。3D打印，作为一项改善生产力，提升整车研发水平和效率的重要技术应用于汽车研发企业可以说（下转第24页）（上接第3页）是如虎添翼，是展示企业的综合竞争力重要标志。

6 小结

某汽车研发单位通过采用3D打印技术获得了良好的效益，提升汽车研发效率。但是，在3D打印的使用的使用过程中也发现了一些问题。比如粉末烧结打印方法对于零件的摆放要求较高，不同的摆放方式打印出来的零件存在一定的差异。打印工作对于操作人员的经验值要求较高，打印件质量可能出现因人而异的情况。诸如此类，需要通过3D打印技术的发展逐步提升。

本文以汽车研发对3D打印技术的应用为切入点，通过实际应用案例阐明3D打印技术在汽车研发过程中的作用，可为汽车研发或相关企业在3D打印技术的选型及应用上提供参考。

【参考文献】

[1]周伟民，闵国全.3D打印技术[M].科学出版社.

[2]曹明元.3D打印技术概论[M].机械工业出版社.

[责任编辑：田吉捷]