各類3D打印成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的對比分析

作者：尉勝男、趙方真

隨著世界第一臺3D打印汽車問世，3D打印技術(shù)在汽車制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用?；诖耍紫仍诓殚喯嚓P(guān)文獻、專家訪談的基礎(chǔ)上，確定各類3D打印快速成型技術(shù)的基本原理，為每一種成型技術(shù)的研發(fā)對比提供基礎(chǔ)。其次，通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。最后，得出最高效、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價值。

1 3D打印快速成型技術(shù)原理
3D打印技術(shù)是一種利用數(shù)學(xué)模型，采用快速打印的方式把粉末類金屬、塑料材料粘合在一起，生成目標物品的技術(shù)。它的核心技術(shù)就是快速成型技術(shù)，主要是通過計算機的控制，根據(jù)使用材料的性質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)快速成型目標物品，這就利用到了3D打印快速成型技術(shù)，目前這一技術(shù)大致可分為光敏樹脂選擇性固化工藝（SLA）、絲狀材料選擇性熔覆工藝（FDM）和粉末材料選擇性燒結(jié)工藝（SLS）三種。具體如下幾點。

1.1 光敏樹脂選擇性固化工藝

1.2 絲狀材料選擇性熔覆工藝
針對FDM工藝，是一種相對成熟、應(yīng)用廣的3D打印技術(shù)，其原理主要是融化絲狀材料再組合的過程，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖2所示：
（1）首先將絲狀材料放入絲輪中進行融化；
（2）然后再使用噴頭擠壓，并在工作臺反復(fù)運動，逐漸實現(xiàn)液體固化，并形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。FDM 工藝的優(yōu)點是：使用的絲狀材料多是廢物利用，既能廢物利用也能保護環(huán)境。另外，F(xiàn)DM 工藝對儀器的精度要求很低，能節(jié)省很多生產(chǎn)成本。SLA工藝的缺點是：打印誤差大，只能打印出體積大、低精度的目標物品，特別適合打印大型零部件。

1.3 粉末材料選擇性燒結(jié)工藝

針對SLS工藝，是融合了SLA工藝和FDM 工藝的優(yōu)缺點的一種3D打印技術(shù)，尤其在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的適應(yīng)性最廣。其原理主要是將粉末狀材料熔化再凝結(jié)的過程，進而生成固體物品的過程，示意圖如圖3所示：（1）首先將粉末狀材料放入粉料缸中進行熔化；（2）然后使用光纖激光器掃描液體材料，并在工作臺反復(fù)運動，逐漸實現(xiàn)液體固化，并形成計算機預(yù)設(shè)的形狀，最終形成固體物品。SLS工藝的優(yōu)點是：適合中小部件的生產(chǎn)。使用的粉末材料環(huán)保，且可使用的粉末材料很多，節(jié)省了成本。另外，SLS工藝的結(jié)果精度也較高，能夠快速成型。而且SLS工藝的可能加功能很多種混合粉末材料，能產(chǎn)生新的工件。SLS工藝的缺點是：粉末狀顆粒會干擾目標物品表明的光滑度，形成很多小孔，材料還需要后期加工。

2 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用案例

目前，3D打印技術(shù)在汽車制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已十分廣泛，本文將通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。

2.1 3D打印車
2010年，世界第一輛純3D 打印車Ubree誕生。全車的所有部件都是采用3D打印技術(shù)打印出來的，工人只需要將這些零部件組合起來就可以了，遠遠縮短了汽車制造中的零部件生產(chǎn)周期。隨后，改進的Urbee2全車只有50個打印的零部件，進一步縮短了汽車制造中的零部件組裝時間。

2.2 3D打印賽車
2012年，由比利時的多名設(shè)計師也通過3D打印技術(shù)制造了世界上第一輛3D打印賽車，并完成了賽道測試，令人驚訝的是，整個車市的打印時間只需要3周，遠遠高于傳統(tǒng)汽車的制造工藝。另外，該賽車的能在4秒內(nèi)提高時速至每小時96公里，最高時速能達到每小時141公里。

3D打印賽車的缺點：技術(shù)要求高、在3D打印過程中還需要用到生物合成材料，提高了制造成本。

2.3 3D打印發(fā)動機
2004年，由德國奧迪公司的設(shè)計師為電影《機械公敵》設(shè)計的概念汽車便運用了3D打印技術(shù)，其中的發(fā)動力是采用了3D打印技術(shù)中的SLS工藝，并實現(xiàn)了真正的行駛。

3 結(jié)論與展望
本文通過案例收集與實地調(diào)研3D打印汽車研發(fā)公司，搜集相關(guān)的數(shù)據(jù)資料，進行各種成型技術(shù)在汽車研發(fā)中的優(yōu)缺點對比，重點對比每一種成型技術(shù)所需要的原材料、生產(chǎn)所需的環(huán)境條件、生產(chǎn)流程以及最后生產(chǎn)出來的產(chǎn)品。本文是分析結(jié)果有利于得出最高效、最能實現(xiàn)利益最大化的成型技術(shù)，降低成本，提高效率，這對于汽車研發(fā)行業(yè)具有重要的應(yīng)用價值。但是從已有的3D打印快速成型技術(shù)和3D打印汽車產(chǎn)品來看，3D打印技術(shù)還存在很大的進步空間，具體有：

第一，3D打印技術(shù)的成本相對較高，更別說3D打印汽車的制造成本，應(yīng)用性有限。未來需要繼續(xù)突破技術(shù)壁壘，設(shè)計出“平民化”的產(chǎn)品，讓更多的消費者可以享受到自己設(shè)計汽車外形的全新體驗。

第二，繼續(xù)研究“綠色”3D打印技術(shù)，實現(xiàn)廢物利用、可回收、對環(huán)境無害等特點，真正實現(xiàn)綠色制造。目前使用的很多材料雖然可獲取、無毒，但很難降解，也會給環(huán)境帶來嚴重的負擔(dān)。

來源：工程管理與技術(shù)
作者：尉勝男、趙方真

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