金屬3D打印在試制車身上的應(yīng)用分析

孫相龍，徐澳門

金屬3D打印在試制車身上的應(yīng)用分析

孫相龍，徐澳門

（上汽通用汽車有限公司，上海 201206）

金屬3D打印技術(shù)具有無需開模、成型復(fù)雜零件、成型精度高、周期短、輕量化和定制化的優(yōu)勢。金屬3D打印技術(shù)為汽車車身零件提供了新的制造工藝，極大推動了汽車行業(yè)車身制造的技術(shù)變革。文章從試制車身實際造車應(yīng)用的角度，利用金屬3D打印技術(shù)制作試制車身零部件，研究了零件打印成型、強度、硬度、致密度、粗糙度、焊接性能、成本對比等，并針對金屬3D打印零件性能特點，分析了各自應(yīng)用特點及應(yīng)用場景，進一步討論了金屬3D打印技術(shù)在試制車身上的應(yīng)用可行性。

金屬3D打?。辉囍栖嚿?；連接性能；制造工藝

近年來汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多的新車型不斷涌現(xiàn)，同時新材料、新技術(shù)在汽車上應(yīng)用也越來越廣泛。通常一款車型的研發(fā)制造周期需要3～5年，較長的研發(fā)制造周期制約著各大車企盡快推出新產(chǎn)品來應(yīng)對市場激烈競爭，這其中縮短汽車零部件的長制造周期成為行業(yè)內(nèi)重要研究方向[1]。

金屬3D打印技術(shù)的快速發(fā)展給汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展帶來新的科技助力，行業(yè)內(nèi)已有金屬3D打印零部件在試制或量產(chǎn)階段的應(yīng)用案例。在整車研發(fā)制造環(huán)節(jié)中，汽車試制具有小批量、變化多、周期短、響應(yīng)快等特點。金屬3D打印與傳統(tǒng)制造工藝相比，具有無需開模、推動產(chǎn)品快速化、輕量化、定制化的優(yōu)勢，通過金屬3D打印車身零部件，可節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)的成本和時間，快速響應(yīng)產(chǎn)品變更驗證，以更好地滿足產(chǎn)品試制需求。

本文利用金屬3D打印制作試制白車身零部件，通過零件自身性能分析及連接性能評估，進一步討論了金屬3D打印技術(shù)在試制車身上的應(yīng)用可行性。

1 金屬3D打印技術(shù)

金屬3D 打印技術(shù)是將激光束（或電子束等）直接作用于金屬粉末，利用高能能量源快速熔化金屬粉末形成高溫熔池，并通過快速移動冷卻形成搭接相連的固態(tài)熔道，在形成的金屬加工平面上不斷累積完成加工[2]。目前常用的金屬3D打印技術(shù)主要包括：激光選區(qū)熔化技術(shù)（Selective Laser Melting, SLM）、激光選區(qū)燒結(jié)技術(shù)（Selective Laser Sintering, SLS）、直接金屬激光燒結(jié)技術(shù)（Direct Metal Laser-Sintering,DMLS）以及電子束選區(qū)熔化技術(shù)（Electron Beam Selective Melting, EBSM）等[3]。其中SLM技術(shù)具有成型致密度高、機械性能良好、零件制造精度較高等特點，主要應(yīng)用在純鈦、鈷鉻合金、不銹鋼等大多數(shù)金屬材料的打印。

2 金屬3D打印車身零件

按照主要元素組成區(qū)分，金屬3D打印粉末材料通常包括316L不銹鋼等鐵基材料、鎳基材料、鈦基材料、鈷基材料、鋁基材料等，本文以傳統(tǒng)沖壓件材質(zhì)及力學(xué)性能為選取依據(jù)，最終選用316L不銹鋼粉末作為打印材料，其主要特性詳如表1所示。

表1 316L不銹鋼粉末特性

牌號物理特性成型件性能 粉末球徑/μm松裝密度/(g/cm3)抗拉強度/MPa屈服強度/MPa 316L15～533.9>560>480

金屬3D打印工藝流程通常包括原材料準(zhǔn)備、數(shù)據(jù)模型處理、激光打印、打磨去支撐、熱處理、拋光等，本文采用華曙高科金屬3D打印機利用SLM技術(shù)完成車身零件打印制作（圖1）。

(a) 某車型翼子板安裝支架　　　(b) 某車型后地板支架

3 金屬3D打印零件應(yīng)用可行性分析

3.1 零件強度性能分析

為進一步分析金屬3D打印零件和傳統(tǒng)沖壓件的室溫力學(xué)性能，利用萬能拉伸試驗機進行室溫拉伸試驗，獲得316L不銹鋼試樣在金屬3D打印態(tài)和鍛態(tài)條件下的力學(xué)性能數(shù)據(jù)（圖2）。通過數(shù)據(jù)比對發(fā)現(xiàn)，金屬3D打印態(tài)試樣因其微觀結(jié)構(gòu)更精細，抗拉強度優(yōu)于鍛態(tài)試樣，但伸長率略低，可能是由于金屬3D打印零件內(nèi)部存在未融合粉末、氣孔等缺陷以及殘余應(yīng)力未完全消除。通過上述分析，金屬3D打印零件可用于車身強度支撐區(qū)域，但不推薦應(yīng)用到車身吸能緩沖區(qū)域。

圖2 零件室溫拉伸性能對比（金屬3D打印態(tài)和鍛態(tài)）

3.2 零件硬度分析

硬度也是衡量材料綜合力學(xué)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，一般硬度越高，材料的耐磨性能就越優(yōu)異[4]。本文利用維氏硬度試驗原理（試驗載荷98 N）測試了金屬3D打印零件和傳統(tǒng)沖壓零件的硬度值（圖3），以驗證比較金屬3D打印零件的耐磨性能。通過對比，金屬3D打印零件的表面硬度顯著高于傳統(tǒng)沖壓零件，約是沖壓零件的2.3倍。這主要是因為激光熔化金屬粉末后快速冷卻成型，材料內(nèi)部晶粒組織更為細小，依據(jù)Hall-Petch關(guān)系式，硬度則相對更高。基于此分析，金屬3D打印零件可用于車身耐磨區(qū)域、工裝夾具耐磨區(qū)域以及模具制造等。

圖3 零件維氏硬度對比（金屬3D打印態(tài)和沖壓態(tài)）

3.3 零件致密度分析

在SLM打印成型過程中，由于316L不銹鋼金屬粉末的熔化、堆積、凝固、冷卻等過程速度極快，容易在成型后在零件內(nèi)部產(chǎn)生未熔合粉末顆粒、氣孔等微觀缺陷，這也是制約金屬3D打印零件疲勞性能提高的主要因素[5]。為此，本文利用工業(yè)CT法無損檢測金屬3D打印零件和傳統(tǒng)沖壓零件的致密度（圖4）。結(jié)果表明，金屬3D打印零件致密度99.9%。其中100 μm以上缺陷176個，最大缺陷尺寸775 μm；傳統(tǒng)沖壓件因經(jīng)過鍛造、沖壓等工序，內(nèi)部組織均勻未見缺陷，致密度可達100%。金屬3D打印零件內(nèi)部缺陷對零件塑性、疲勞性能有不利影響，需要借助成型工藝優(yōu)化及后續(xù)熱處理進行改善。經(jīng)評估分析，現(xiàn)階段金屬3D打印零件不適用于動態(tài)循環(huán)載荷要求較高的車身區(qū)域，容易引起疲勞開裂。

圖4 工業(yè)CT探傷結(jié)果對比（金屬3D打印態(tài)和沖壓態(tài)）

3.4 零件表面粗糙度分析

在汽車車身制造領(lǐng)域，通常要求車身外覆蓋件等零件的表面粗糙度Ra<3.2 μm，但金屬3D打印技術(shù)因其特殊的制作工藝，零件表面粗糙度通常為Ra=10～15 μm，必須通過進一步優(yōu)化成型工藝和表面處理以滿足車身零件的使用性能及表面質(zhì)量要求[6]。比較常用的表面處理方法包括手工拋光、機械噴砂、數(shù)控（Computer Numerical Control, CNC）磨削、激光拋光、化學(xué)拋光等，同時表面質(zhì)量要求越高，零件后處理成本也越高。本文也對比了金屬3D打印零件和傳統(tǒng)沖壓零件的表面粗糙度（圖5），從成本及實際使用效果方面進行綜合考量，車身外覆蓋面等區(qū)域并不適合應(yīng)用金屬3D打印零件。

圖5 金屬3D打印零件和傳統(tǒng)沖壓零件粗糙度對比

3.5 零件焊接性能分析

金屬3D打印零件之間的實際焊接效果以及金屬3D打印零件與傳統(tǒng)沖壓零件之間的實際焊接效果，都將影響到實際應(yīng)用效果。本文以車身制造常用鋼點焊為例，重點研究了金屬3D打印零件與常規(guī)沖壓件之間的可焊接性。采用車身手工焊槍將金屬3D零件（厚度1.2 mm）與冷軋鋼板（厚度1.2 mm）進行點焊（圖6(a)，焊接參數(shù)依據(jù)普碳鋼車身焊接參數(shù)選取規(guī)則），焊接后目視檢查焊點無氣孔、裂紋等質(zhì)量缺陷（圖6(a)），對焊點區(qū)域進一步進行金相表征（圖6(b)），焊點金相結(jié)果顯示出直徑6.1 mm的焊接熔核（標(biāo)準(zhǔn)不小于5.0 mm），減薄率為27.46%（標(biāo)準(zhǔn)小于30%），這表明金屬3D打印零件具有良好的可焊性，可滿足車身焊接應(yīng)用。

圖6 金屬3D打印零件可焊性驗證

3.6 金屬3D打印零件與沖壓件成本對比

從應(yīng)用經(jīng)濟性角度，本文進一步對比了金屬3D打印零件與試制軟模沖壓件的成本（表2）。以打印普碳鋼支架類零件為例，假設(shè)打印重量70 g的車身鈑金件，當(dāng)制作數(shù)量不大于15套時，選用金屬3D打印技術(shù)成本更低，反之，則推薦選用軟模沖壓方式。由此可見，金屬3D打印零件單件成本較高，小批量應(yīng)用更能凸顯經(jīng)濟價值。

表2 金屬3D打印零件與試制軟模沖壓件成本對比

普碳鋼支架類零件判斷條件數(shù)量/套 金屬3D打印費用≤支架軟?？傎M用≤15 金屬3D打印費用＞支架軟?？傎M用＞15 備注1）金屬3D打印費用：打印單價（不銹鋼6元/g）×重量（70 g）×數(shù)量；2）軟模總費用：零件單價（30元）×數(shù)量+模具費（6 000元）

4 總結(jié)

和傳統(tǒng)制造工藝相比，金屬3D打印技術(shù)具有無可比擬的領(lǐng)先優(yōu)勢，將成為引領(lǐng)今后工業(yè)生產(chǎn)方式變革的關(guān)鍵技術(shù)。隨著金屬3D打印技術(shù)成型工藝的不斷優(yōu)化，以及零件內(nèi)部微觀組織調(diào)控突破，金屬3D打印零件在試制車身上的應(yīng)用將取得新的拓展突破。本文從試制車身制造應(yīng)用角度，分析金屬3D打印零件的各項性能，同時對比了金屬3D打印零件與試制沖壓件的成本，為金屬3D打印在試制車身上的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐。當(dāng)然還有一些應(yīng)用限制問題需進一步探討，比如金屬3D打印零件應(yīng)用到試制車身上的材料認(rèn)證；金屬3D打印零件的冷連接（如表面等離子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）、CO2焊接、冷金屬過渡技術(shù)（Cold Metal Transfer, CMT）焊接、激光焊接等）性能研究等。

[1] 黎志勇,楊斌,王鵬程,等.金屬3D打印技術(shù)研究現(xiàn)狀及其趨勢[J].新技術(shù)新工藝,2017(4):25-28.

[2] 張春雨,陳賢帥,孫學(xué)通.金屬3D打印制造技術(shù)的發(fā)展[J].激光技術(shù),2020,44(3):393-398.

[3] 楊永強,劉洋,宋長輝.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及研究進展[J].機電工程技術(shù),2013,42(4):1-8.

[4] 楊金偉,孔令華,付洪波,等.激光誘導(dǎo)擊穿光譜表征3D打印18Ni300模具鋼表面硬度[J].激光與紅外,2020, 50(6):668-674.

[5] 王沛,黃正華,戚文軍,等.基于SLM技術(shù)的3D打印工藝參數(shù)對316不銹鋼組織缺陷的影響[J].機械制造文摘(焊接分冊),2016(2):2-7.

[6] 金鑫源,蘭亮,何博,等.選區(qū)激光熔化成形金屬零件表面粗糙度研究進展[J].材料導(dǎo)報,2021,35(3):3168- 3175.

The Application Analysis of Metal 3D Printing in Pre-production Body

SUN Xianglong, XU Aomen

( SAIC General Motors Corporation Limited, Shanghai 201206, China )

The metal 3D printing technology has the advantages of no mold, forming complex parts, high precision, short cycle, lightweight and customization. The metal 3D printing technology provides a new manufacturing process for automobile body parts and greatly promotes the technological change of automobile industrybody manufacturing. From the perspective of actual manufacturing application, we uses metal 3D printing technology to produce pre-production body parts, and study the strength, hardness, density, roughness, welding performance and cost for the 3D printing parts, and further discusses the application feasibility of metal 3D printing technology in pre-production body parts.

Metal 3D printing; Pre-production body; Connecting performance; Manufacturing process

U466

A

1671-7988(2023)10-168-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.010.034

孫相龍（1992—），男，碩士，工程師，研究方向為汽車制造技術(shù)，E-mail:sxlouc@sina.com。