3D打印技术在汽车制造领域的应用与成本控制

高丰 梁伶伶 韦向前 梁绍晟 张发

【摘 要】随着个性定制化时代的到来，3D打印技术广泛应用于汽车等各个领域。目前，3D打印技术多应用于汽车研发环节，主要应用于试验模型和零部件定制。文章在介绍3D打印技术发展现状的基础上，分析3D打印技术在汽车制造总装车间汽车装配上的应用，以此强调3D打印技术在汽车制造领域的重要性。

【关键词】3D打印技术;总装车间;汽车制造

【中图分类号】U466;U472 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）03-0064-03

1 3D打印技术简介

3D打印技术即快速成型技术的一种，又称增材制造，它以数字模型文件作为基础，将模型文件分层，通过逐层打印形成物体，多使用可黏合材料，例如粉末状金属或塑料等[1]。3D打印的实现通常是通过数字技术材料打印机，常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型。随着材料科学的发展，3D打印技术逐步用于一些产品的直接制造，如今已有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在航天科技、汽车研发、医疗模型、电子行业、建筑房屋及其他领域都有所应用。

2 3D打印技术原理

2.1 建立3D数字模型

3D打印技术根据需求建立3D数字模型，通常有扫描成型和软件设计两种建立方式。在已有实物的情况下，用三维扫描仪将物体的立体信息转化为直观的数字信号，实现快速的逆向3D数字建模，称为扫描成型。通过3D设计软件进行的3D数字建模称为软件设计，在汽车行业中，常用的3D设计软件有Catia、Pro/e和UG等。

2.2 切片处理

在得到3D数字模型后，开始对数字模型进行切片处理，就是将三维模型沿某一轴的方向切成一系列的二维平面数据，3D打印机读取数据后按层工作，通过叠加成型构造实体[2]。通用的切片软件有cura、s3d和Repetier Host 3种，同时各大3D打印机制造厂商也有自主研发的切片软件。

2.3 打印成型技术

打印成型是3D打印技术最为核心的环节，在很大程度上直接影响打印的最终质量。当前，通用的3D打印技术有5种：SLA（光固化成型）、SLS（选择性激光烧结）、FDM（熔融沉积快速成型）、3DP（三维粉末黏接）、DMLS（直接金属激光烧结）[3]。以FDM为例，熔融沉积型3D打印技术是将丝状材料加热到适当的温度使其熔化，然后通过喷嘴挤出，一个层面沉积完成后，打印平台按照预定的增量下降一个高度，再继续熔融沉积，直至完成整个打印件的典型打印技术。FDM 3D打印机一般使用的材料有工程塑料（PLA/ABS）、柔性材料（TPE/TPU）、金属质感材料（Metal PLA/Metal ABS）和尼龙材料（EPA）。本文选用了如下品种材料做应用研究对比（见表1）。

2.4 打印后处理

FDM技术的打印件粗糙且表面有可见的纹路，需要对其进行后期处理。通常使用去除支撑结构、打磨抛光和表面处理等方法，用于提高产品的机械性能，讓产品外观更美观。FDM技术的优势在于制造简单，成本低廉。

3 3D打印技术在汽车领域的应用现状

3.1 3D打印技术在汽车研发阶段的应用

随着汽车保有量的快速增加，汽车行业的竞争日益激烈，成本控制是汽车公司在研发阶段面临的重大难题，研发速度与成本息息相关。在传统汽车研发中，只有将模具生产出来后才能制造零部件，而普通汽车零部件制造企业对一个模具的研发、制造到投入使用往往需要经过3个月以上的时间，在这段时间还会产生大量的资源浪费。3D打印技术可快速地制作概念模型和功能原型，优化了因制作模具而浪费的时间，减少加工工序，从而大大缩短汽车零部件的验证时间，提高研发效率[4]（如图1所示）。

材料科学发展迅速，越来越多的材料能应用于3D打印中，能满足大部分汽车零部件的属性要求，并且打印技术制造的产品在精度上优于传统方式制造的零部件。同时，3D打印技术能实现汽车零部件的轻量化，减轻汽车自重，降低汽车油耗，符合国家相关部门提出的绿色发展理念。

3.2 3D打印技术在汽车维修上的应用

在汽车维修时，更换零部件是最为常用的维修方式。但市场上车型众多，4S店不可能配备所有的零部件，很容易产生因为零部件短缺而影响维修进度的情况，大大影响了客户的维修体验。对于一些停产多年的老车型，汽车企业也没有零部件的库存，如果为单一零部件单独开模制作，将会造成企业不愿承担的资源浪费。此时，3D打印技术在汽车维修上的优势就体现出来了，只要存有零部件的加工数据与三维数模文件，就可快速地制作出成品，实现降低制造成本，为客户带来更好的维修体验，节省物流成本的目标[5]（如图2所示）。

同时，由于汽车的个性化设计，因此在汽车维修过程中，不同车型需要用到不同的维修工具，市场只能提供一些标准的维修工具，不能满足一些特殊的需求[5]。此时，需要3D打印技术制作一些特殊的维修工具，一般通过三维扫描仪得到汽车内部空间数据，再依据数据进行工具设计，最后以3D打印机快速地制作维修工具，提高维修效率。

4 3D打印技术在汽车装配领域的应用

4.1 应用前景

3D打印的主要优势在于它的可定制性，能将计算机图形数据生成任何形状的零件，从而极大地缩短产品的研制周期，提高生产效率和降低生产成本。

总装作为汽车生产的重要工序，守护着汽车生产的质量底线，有着众多复杂的工艺，在装配过程中同样需要用到各种各样的装配工具。根据总装车间的工艺需求，将装配工具分为定位工具、辅助工具、防划伤工具和检测工具四大类，不同种类的工具对材料的属性要求各不相同。这些工具虽然种类繁多，但是需求量少，生产成本高，制作周期长。如果使用3D打印技术，能大大缩短工具的制作周期，间接地促进汽车的装配效率的提升。同时，提高了装配工具的精度，使装配工具标准化。如果需要制作相似的工具，只要通过调整参数便可进行快速便捷的制作。在同车型不同产线的装配人员进行工艺交流时，也能更好地将新的装配方法与装配工具进行推广，有利于装配人员业务水平的提升。

4.2 3D打印技术在装配专用工具上的应用

定位工具是用于解决汽车零部件与零部件、零部件与车身之间X/Y/Z方向配合的专用工具，使装配偏差固定在标准范围内，满足工艺及质量标准要求。例如：前后挡风玻璃定位工具、前后雨刮器定位工具、车门水切装配定位工具、翼子板定位工具等（如图3所示）。

輔助工具指的是辅助操作使用的工具，使操作过程更加简单、便捷。主要体现在人机工程改善、装配效率提升、满足质量要求方面。例如：拓印笔套辅助工具、前围隔音垫安装辅助工具、尾门锁防关闭辅助工具、卡扣安装辅助工具等（如图4所示）。

防划伤工具是用于保护车身表面漆面的主动防护控制工具，保护装配操作过程车身表面油漆不被锐物划伤油漆，消除补漆返修浪费。例如：车门锁扣安装防划伤工具、车门锁体安装防划伤工具、车门线束防划伤工具、发动机激光码防划伤工具等（如图5所示）。

检测工具是用于零部件之间装配后测量尺寸偏差类工具，是用于设计测量零件工艺参数识别的专用工具。例如：车门亮条安装检测工具、车门导槽密封条饰条检测工具、蓄电池检测工具、中间轴测量工具等（如图6所示）。

4.3 成本控制

以提升质量和降低成本为目的，较传统工具制作方式和制作周期，3D打印技术的应用有利于降低工具成本投入。最佳实践：应用3D打印技术开发专用工具制作合计57种（159件），累计节约7万元，为高质量和低成本的产品输出提供优势。

5 总结

作为第三次工业革命标志性产物之一，3D打印技术已经被广大汽车企业认可，在研发与维修领域扮演着重要的角色，有效地解决了许多实际的问题。同时，随着材料科学的发展，3D打印技术会在汽车行业得到更为全面的运用，逐步应用到汽车生产的四大工艺中，代替部分传统的减材制造方式，从而降低投入成本，为汽车行业的发展提供助力。

参 考 文 献

[1]赵竟宇.3D打印机的发展与运用趋势[J].造纸装备及材料，2020，49（3）：114.

[2]王菊霞.3D打印技术在汽车制造与维修领域应用研究[D].长春：吉林大学，2014.

[3]赵婧.3D打印技术在汽车设计中的应用研究与前景展望[D].太原：太原理工大学，2014.

[4]李雪峰，黄安琪，夏申琳.3D打印技术在汽车制造中的应用及中国汽车业的机遇与挑战[J].世界制造技术与装备市场，2019（4）：37-39.

[5]周丹.论3D打印技术在汽车维修领域中的应用[J].中国市场，2016（36）：61-62.