王科委 王昉

上汽通用汽車有限公司 上海市 201206

1 引言

隨著科技不斷進步，汽車行業(yè)也迎來了高速發(fā)展及電氣變革，各種車企新勢力如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，車型更新迭代的速度也越來越快。相比而言，傳統(tǒng)汽車研發(fā)周期一般需要3～5 年，如此長的研發(fā)周期早已不適應(yīng)客戶對汽車個性化、智能化、定制化的需求，更加無法適應(yīng)日益嚴峻的行業(yè)競爭環(huán)境。壓縮車型研發(fā)周期，降低車型研發(fā)成本成為每個車迫在眉睫需要解決的的挑戰(zhàn)與考驗。不同于生產(chǎn)工廠的量產(chǎn)項目，樣車試制車間每年的承接項目具有車型新，零件新、造車量少、工程變化量大等特點。作為汽車新車型量產(chǎn)前的最重要的環(huán)節(jié)之一，在樣車試制過程中解決因產(chǎn)品研發(fā)周期壓縮造成的零件缺失或零件并非最終設(shè)計狀態(tài)、正常量產(chǎn)需提前驗證工裝定位策略、制造是否可以滿足產(chǎn)品設(shè)計要求需要提前驗證等問題，從而實現(xiàn)在試制過程中充分地驗證產(chǎn)品設(shè)計并提前推動問題解決，最終推動并助力新車型順利量產(chǎn)，成為樣車試制的核心價值及職責所在。

3D 打印技術(shù)正式因為制造周期短，制造成本低等特點，已經(jīng)被越來越多的應(yīng)用于汽車及樣車試制過程中。3D 打印技術(shù)作為增材制造技術(shù)，是工業(yè)4.0 時代最具發(fā)展前景的制造技術(shù)之一，是一種基于離散堆積成形思想的新型成型技術(shù)，其原理是將計算機設(shè)計出的三維模型分解成若干平面切片，然后將打印材料按切片圖形逐層制造疊加，最終堆積成完整的物體。與傳統(tǒng)的等材制造及減材制造技術(shù)（例如鑄、鍛、焊、車、銑、刨等）相比，3D 秉承“分層制造，逐層疊加”的核心原理，單次打印一體成型，打印過程中由設(shè)備控制工藝步驟及制造精度，無須人工操作，加工精度和復(fù)制性皆優(yōu)于傳統(tǒng)制造技術(shù)。采用3D 打印技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，打印技術(shù)不需要專門的模具和夾具，零件的形狀和結(jié)構(gòu)都不受其他約束，可以實現(xiàn)復(fù)雜拓撲結(jié)構(gòu)成型，同時因為其成型原理可以省去模具的制作與準備，極大的降低了開發(fā)周期及開發(fā)成本。因此，3D 打印技術(shù)正在越來越多地被應(yīng)用于樣車制造的各個環(huán)節(jié)：樣件準備、工裝制作、設(shè)計驗證評估、制造評估等。

圖1 三種制造方式(等材制造、減材制造、增材制造)

2 3D 打印技術(shù)簡介

3D 打印技術(shù)種類繁多，發(fā)展迅速，因成型材料的不同，3D 打印技術(shù)可分為金屬3D 打印和塑料3D 打印。但因為金屬3D打印僅能打印十幾種金屬，主要包括鋁合金、鈦合金、模具鋼、鈷鉻合金、不銹鋼、鐵鎳合金和銅合金金屬等，而且因金屬3D打印粉末材料技術(shù)壁壘較高、生產(chǎn)困難，導(dǎo)致市場產(chǎn)量不足，金屬打印材料價格居高不下，目前主要主要應(yīng)用于航空航天、模具制造等領(lǐng)域。而且，金屬3D 打印件需要對支撐件進行切割及二次加工，操作的繁雜性也限制了金屬3D 打印的推廣。塑料3D 打印工藝根據(jù)成型工藝和材料的不同又有很多細分，經(jīng)過多年技術(shù)發(fā)展和市場沉淀，逐漸形成了四種主流3D 打印工藝：立體光固化技術(shù)(SLA-Stereolithography)、多噴頭噴射技術(shù) (Polyjet)、選擇性激光燒結(jié)技術(shù) (SLS-Selected Laser Sintering)、熔融堆積成型 技術(shù)(FDMFused Deposition Modeling)。

立體光固化技術(shù)以光敏樹脂為原料，紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成零件的一個薄層截面。當一層固化完畢，移動工作臺，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進行下一層掃描固化。多噴頭噴射技術(shù)類似于行式噴墨打印機。在成型截面上根據(jù)當前層的輪廓精確、迅速地噴射出一層極薄的光敏樹脂（0.016mm)紫外光用以快速固化和硬化當前層的光敏樹脂。每打印完成一層后，系統(tǒng)內(nèi)的成型底盤將精確地下降0.016mm，如此反復(fù)，直至成型件的完成。選擇性激光燒結(jié)技術(shù)采用CO激光器（氣體激光器）作能源，使用的造型材料為粉末材料。加工時，首先將粉末預(yù)熱到稍低于其熔點的溫度，然后將粉末鋪平；激光束在計算機控制下根據(jù)分層截面信息進行有選擇地燒結(jié)。一層完成后再進行下一層燒結(jié)，全部燒結(jié)完后去掉多余的粉末。熔融堆積成型技術(shù)工藝是保持半流動成型材料剛好在熔點之上，材料為各種特性塑料。噴頭將半流動狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，凝固形成輪廓形狀的薄層。每層厚度范圍在0.025～0.762mm，一層疊一層最后形成整個零件模型。不同打印工藝的后處理工序也各不相同，可以根據(jù)工作場地及需求進行合理的選取。

3 3D 打印工作流程

3D 打印開始前，需要根據(jù)用戶需求及應(yīng)用場景選取相應(yīng)的3D 打印技術(shù)。一般使用3D 打印技術(shù)完成一件產(chǎn)品需要經(jīng)過四個步驟：數(shù)模設(shè)計、數(shù)模優(yōu)化、打印設(shè)置以及后處理，具體流程如圖2 所示。

圖2 3D 打印業(yè)務(wù)工作流程

數(shù)模設(shè)計可以使用一般的數(shù)模建模軟件(例如Pro/E、UG、Solidworks 等)，通過三維建模的方式設(shè)計目標產(chǎn)品3D 模型；對已有物品的3D 建模還可以通過3D掃描設(shè)備逆向生成三位模型，然后處理后形成3D 打印模型。對已有的3D 數(shù)模進行優(yōu)化，例如對結(jié)構(gòu)進行精簡、薄壁加強以及對分離的實體進行合并處理等，可以保證數(shù)模的準確性及打印的精益性，保證后續(xù)打印切片的順利完成。打印設(shè)置除了完成3D 打印的數(shù)模切片外，可以設(shè)置數(shù)模打印的形式(實體打印、空心打印、結(jié)構(gòu)加強等)，同時可以優(yōu)化支撐添加的結(jié)構(gòu)、規(guī)劃噴頭的路徑，實現(xiàn)最優(yōu)化的打印設(shè)置。打印結(jié)束后，需要根據(jù)不同過的3D 打印工藝去除支撐、做拼接等后處理。

4 3D 打印應(yīng)用于樣車試制的案例介紹

4.1 3D 打印快速樣件

在樣車試制過程中，因為開發(fā)及準備周期壓縮或者產(chǎn)品設(shè)計變更等原因造成零件無法按時交付時，為了保證試制車輛的正常進度并對零件進行充分驗證，可以通過3D 打印技術(shù)準備快速樣件支持樣車的試制工作，3D 打印技術(shù)響應(yīng)快且成本低的特點顯現(xiàn)得尤為明顯（圖3 汽車燈罩的3D 打印件）。設(shè)計階段零件造型評估及評審需求，也可以通過3D 打印零件來實現(xiàn)，減少了模具開發(fā)的等待周期，同時降低了后續(xù)模具修改的機率，從而推動新車型的快速高效量產(chǎn)。

圖3 3D 打印汽車燈罩

4.2 3D 打印總裝匹配類小工裝

為了保證匹配精度，在車輛制造過程中需要匹配類工裝支持裝配，例如銘牌安裝工裝、前保中支架安裝工裝、前后蓋鎖安裝工裝等。傳統(tǒng)的總裝小工裝大多數(shù)在供應(yīng)商處完成，采購周期和供貨周期較長，且問題整改反饋相對不及時。而將3D 打印技術(shù)應(yīng)用于總裝的小工裝后，小工裝整體的準備周期大大縮短，同時能及時響應(yīng)工裝在試用過程中產(chǎn)生的問題。圖4 為3D 打印總裝匹配類小工裝，3D 打印的工裝具有設(shè)計簡單、操作方便的特點，而且輕量化表現(xiàn)優(yōu)異。

圖4 3D 打印總裝匹配類小工裝

4.3 3D 打印人機模擬評估件

人機工作的重點在于提前識別生產(chǎn)中無法滿足設(shè)計需求的問題項并推動解決，難點在于如何實現(xiàn)設(shè)計狀態(tài)的真實模擬。3D 打印技術(shù)只需要設(shè)計數(shù)模就可以實現(xiàn)百分百的設(shè)計環(huán)境實際打印模擬，可以在最早期實現(xiàn)人機問題的模擬和識別，推動早期設(shè)計狀態(tài)的優(yōu)化和更改，極大地節(jié)省了后續(xù)硬模開發(fā)及量產(chǎn)的設(shè)計更改費用。圖5為3D 打印汽車變速箱裝配模擬件，對人機軟件判斷的人機問題進行了模擬和判斷，推動了設(shè)計的早期更改。

圖5 3D 打印汽車變速箱裝配模擬件

5 展望

隨著用戶需求多樣化以及汽車迭代速度越來越快的驅(qū)動，樣車試制車間也需要對越來越多的工程驗證需求做出快速響應(yīng)。3D 打印技術(shù)成型快、可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的打印等特點，使得其在樣車試制過程中應(yīng)用越來越廣泛。下一步樣車3D 打印的工作重點將基于工程驗證、裝配用小工裝、人機模擬等的基本需求之上，優(yōu)化3D 打印的路徑及起始位置，最大限度的挖掘和實現(xiàn)力學(xué)性能和材料特性的最優(yōu)化應(yīng)用，不斷提升3D 打印的應(yīng)用和拓展能力，為整車開發(fā)及產(chǎn)品順利量產(chǎn)助力。