3D打印技術(shù)在汽車工業(yè)發(fā)展中的應(yīng)用

■ 宋彬，及曉陽，任瑞，李雨

3D打印增材制造技術(shù)已在工業(yè)造型、機械制造、軍事、航空航天等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。被譽為推動“工業(yè)4.0”和“工業(yè)制造2025”關(guān)鍵性技術(shù)，推動汽車行業(yè)發(fā)展革命性技術(shù)，其將同機器人技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同改變?nèi)祟惿a(chǎn)生活方式。

3D打印技術(shù)是指通過連續(xù)的物理層疊加，逐層增加材料來生成三維實體的技術(shù)，與傳統(tǒng)的去除材料加工技術(shù)不同，因此又稱為添加制造或增材制造技術(shù)。3D打印技術(shù)原理如圖1所示。

3D打印增材制造技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用已十分廣泛，汽車所有部件幾乎都能采用3D打印直接或間接實現(xiàn)，無需采用傳統(tǒng)模具制造方法。

一、汽車制造業(yè)常用的3D打印技術(shù)

汽車主要由大量的金屬和非金屬零件組成，生產(chǎn)這些零件用到的3D打印技術(shù)主要有：選擇性激光燒結(jié)（SLS）、激光選區(qū)熔化（SLM）、激光選區(qū)光固化（SLA）、粘合劑噴射（3DP）、熔融沉積（FDM）等，下面對這些打印技術(shù)、功能和最終產(chǎn)品實現(xiàn)方法進行介紹。

1. 選擇性激光燒結(jié)（SLS）

S L S打印材料是粉末。激光的能量使高溫粉末與相鄰的粉末發(fā)生燒結(jié)反應(yīng)而連接在一起。通過層疊和選區(qū)燒結(jié)的過程實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的成形。主要材料有尼龍、PS、EPS、石蠟、覆模砂芯、覆膜金屬、覆膜陶瓷及復(fù)合粉末，分層厚度為0.02～0.05mm，尺寸精度為（100±0.2）mm，最大一次成形800mm×600mm×500mm。

打印汽車零部件主要通過直接打印和間接打印完成，直接打印主要是尼龍件（如汽車后視鏡框、儀表盤、外裝飾、空調(diào)模型及行李箱零件等塑料件），間接打印主要是PS、EPS、石蠟、覆膜砂型/芯，通過打印與傳統(tǒng)鑄造相配合實現(xiàn)復(fù)雜金屬零件毛坯的快速制造。PS、EPS、石蠟主要用于熔模精密鑄造（硅溶膠、石膏型配低壓、差壓、真空澆注），覆膜砂型/芯主要用于砂型鑄造（具體與3DP相似）。3D打印配合熔模精密鑄造方案如圖2所示，離合器殼體PS模和石膏型熔模鑄件如圖3所示。

圖1 3D打印技術(shù)原理

2. 激光選區(qū)熔化（SLM）

SLM是利用金屬粉末在激光束（500～1000W光纖激光器）的熱作用下完全熔化、經(jīng)冷卻凝固而成形的一種技術(shù)。成形材料主要是金屬及合金，如鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼及鋁合金，分層厚度為0.02～0.05mm，精度為（100±0.15）mm，表面粗糙度為Ra=5.0μm，直接打印零件如圖4所示。

3. 激光選區(qū)光固化（SLA）

SLA是用激光選擇性地讓需要成形的液態(tài)光敏樹脂發(fā)生聚合反應(yīng)變硬，通過層疊和選區(qū)燒結(jié)的過程實現(xiàn)復(fù)雜產(chǎn)品的成形。主要材料是光敏樹脂。

4. 粘合劑噴射（3DP）

3DP與SLS工藝類似，采用粉末材料成形，不同的是材料粉末不是通過燒結(jié)連接起來的，而是通過噴頭用粘合劑(如硅膠)將零件的截面“印刷”在材料粉末上面。3DP打印離合器殼體砂型組裝如圖5所示，主要材料是樹脂砂、石膏、熱塑性塑料、陶瓷及金屬。3DP打印汽車排氣管砂型和復(fù)雜型芯如圖6所示。

5. 熔融沉積（FDM）

FDM是一種不依靠激光作為成形能源、而將各種絲材（如工程塑料ABS、聚碳酸酯PC等）加熱熔化進而堆積成形的方法。表面粗糙度和尺寸精度較差，價格低。主要材料是熱塑性材料，如PLA、蠟、ABS及尼龍等。

圖2 3D打印配合熔模精密鑄造方案

圖3 離合器殼體PS模和石膏型熔模鑄件

圖4 SLM直接打印的零件

圖5 3DP打印離合器殼體砂型組裝

圖6 3DP打印汽車排氣管復(fù)雜型芯

二、3D打印在汽車行業(yè)的應(yīng)用

3D打印在汽車行業(yè)研制生產(chǎn)中起到十分重要的作用，幾乎所有的汽車零件都可以采用3D打印直接或間接完成，主要用于產(chǎn)品概念設(shè)計、原型制作、產(chǎn)品評審、功能驗證，以及制作模具原型或直接打印模具和產(chǎn)品。

1. 新產(chǎn)品開發(fā)過程中的設(shè)計驗證與功能驗證

快速地將產(chǎn)品設(shè)計的CAD模型轉(zhuǎn)換成物理實物模型，這樣可以方便地驗證設(shè)計人員的設(shè)計思想，以及產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的合理性、可裝配性和美觀性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的問題并及時修改。如果用傳統(tǒng)方法，需要完成繪圖、工藝設(shè)計、工裝模具制造等多個環(huán)節(jié)，周期長，費用高。如果不進行設(shè)計驗證而直接投產(chǎn)，則一旦存在設(shè)計失誤，將會造成極大的經(jīng)濟損失。

2. 單件、小批量和特殊復(fù)雜金屬零件的生產(chǎn)

對于汽車零部件如發(fā)動機缸體、缸蓋、排氣管及離合器殼體等復(fù)雜零件，通過傳統(tǒng)方式生產(chǎn)存在周期長、精度低、成本高等問題，而采用3D打印+鑄造的方法快速生產(chǎn)則具有很大優(yōu)勢。3D打印蠟?zāi)?石膏型真空增壓鑄造汽車部件如圖7所示。

3. 用快速成形樹脂模代替鑄造木?；蜩T造模具

用3D打印技術(shù)制作的樹脂模代替木模及金屬模，不僅大幅縮短了制模時間，而且強度和尺寸穩(wěn)定性優(yōu)于木模，成本低于金屬模，特別是對于難以加工、需要多種組合的木模用快速成形的優(yōu)點就更為突出。最有價值是3D打印SLM可以實現(xiàn)金屬模具的復(fù)雜水冷管道的一次成形，大幅延長了金屬型或模具的使用壽命。汽車樹脂模如圖8所示，內(nèi)設(shè)復(fù)雜冷卻水道的汽車輪胎模具如圖9所示。

4. 汽車整車研制生產(chǎn)

用于可制造性、可裝配性檢驗和供貨尋價及市場宣傳，對有限空間的復(fù)雜系統(tǒng)，用快速成型方法進行檢驗和設(shè)計，將大幅降低此類系統(tǒng)的設(shè)計與制造難度。

圖7 3D打印蠟?zāi)?石膏型真空增壓鑄造汽車部件

圖9 內(nèi)設(shè)復(fù)雜冷卻水道的汽車輪胎模具

三、結(jié)語

3D打印技術(shù)從塑料到金屬，從單一零部件到整車打印裝配，充分展示了3D打印對汽車行業(yè)發(fā)展所起到的作用。通過汽車行業(yè)3D打印技術(shù)應(yīng)用，充分認識其具有的突出優(yōu)勢和明顯不足。一方面，需要3D打印技術(shù)自身完善；另一方面，需要與鑄造、機加工等傳統(tǒng)制造技術(shù)，以及互聯(lián)網(wǎng)、機器人等先進的產(chǎn)業(yè)進行融合。3D打印技術(shù)將在汽車等各行業(yè)中發(fā)揮極為重要的作用，未來的制造工廠將會由許多工業(yè)級3D打印設(shè)備組成。我們相信，3D打印將改變我們的工業(yè)生產(chǎn)方式。

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