文／郭秋華，張承偉，金龍娥·中國汽車工程研究院股份有限公司

隨著人們對汽車產(chǎn)品個性化、定制化需求的提高以及部分傳統(tǒng)復雜工藝零件制造和維修的時間長，成本居高不下等難點，3D 打印技術越來越受車企、零部件和售后服務供應商等的高度青睞。

眾所周知，汽車工業(yè)是一個典型的資本技術密集型產(chǎn)業(yè)，同時新車研發(fā)投入也是非常大的。因此車企、零部件和售后服務供應商等積極探索新技術以求降低材料成本和提升效率。3D 打印技術遂開始在汽車零件領域進行探索與應用，尤其是在汽車制造和維修方面已經(jīng)越來越成熟。

3D 打印技術有很多的優(yōu)勢，比如能夠打印制造復雜的產(chǎn)品、能夠實現(xiàn)無模具無模塊化生產(chǎn)和能夠實現(xiàn)高端化產(chǎn)品的訂制，這些都能夠降低成本和減少制造時間，實現(xiàn)個性化生產(chǎn)。與傳統(tǒng)加工工藝相比，能夠實現(xiàn)產(chǎn)品定制化、快速化、輕量化的3D 打印技術與汽車領域的結合必將產(chǎn)生新的火花。

本文將重點介紹3D 打印技術及其優(yōu)缺點，并就其如何在汽車制造和維修領域更好地應用作出分析。

3D 打印技術

3D 打印技術的定義

3D 打印技術作為快速成形技術之一，又名增材制造技術。其原理：以三維CAD 模型為主(一般采用STL 格式)，使用粉末、絲狀或液態(tài)等材料，通過“分層制造、逐層疊加”的方式直接打印出三維實體。3D 打印技術的關鍵環(huán)節(jié)為：數(shù)字設計建模、切片處理、打印成形技術(或逐層打印)、打印后處理，如圖1所示。

圖1 3D 打印技術的關鍵環(huán)節(jié)

3D 打印技術的優(yōu)點

3D 打印技術具有非常多的優(yōu)點，近些年越來越受車企、零部件和售后服務供應商等的高度重視。

⑴降低零部件生產(chǎn)成本。

傳統(tǒng)的機械加工方式屬于“減材加工”，比如車削加工、銑削加工、刨削加工和磨削加工等；而3D打印技術與之相反，屬于“增材加工”，提高材料利用率，從而能降低零部件生產(chǎn)成本以及增加零部件企業(yè)的經(jīng)濟效益。

⑵縮短研發(fā)周期。

采用3D 打印技術，無需模具制造、工具夾裝，可將概念模型的制作周期縮短至幾小時或幾天內(nèi)，提升車企和零部件服務商優(yōu)化效率，并快速推動產(chǎn)品概念驗證，擁有更快的研發(fā)速度。即有效縮短研發(fā)周期，提高生產(chǎn)效率。

⑶簡便生產(chǎn)復雜結構的產(chǎn)品。

與鑄造、鍛造零件不同，3D 打印技術依托計算機工具構建產(chǎn)品模型，通過打印技術直接獲取產(chǎn)品。

因此，結構較為復雜繁瑣的產(chǎn)品零件借助具備高效率、個性化生產(chǎn)優(yōu)勢的3D 打印技術，可直接進行小批量的生產(chǎn)試制，使其工藝流程變得更簡便。

⑷拓寬產(chǎn)品設計空間。

過去，基于傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以及需要滿足大批量生產(chǎn)的要求，產(chǎn)品設計師的很多創(chuàng)新和設計思路很大程度上會被限制。而在3D 打印技術的加持下，產(chǎn)品設計能夠更多元化也更便捷，設計創(chuàng)新程度更高，以前很多受限于生產(chǎn)工藝的設計或造型，變得更容易實現(xiàn)，從而拓寬了產(chǎn)品的設計空間。比如，隨著3D 打印技術的發(fā)展，使得汽車產(chǎn)品的中空夾層設計、鏤空點陣設計、一體化結構乃至空間異性拓撲結構設計都成為可能，這樣不僅能夠實現(xiàn)汽車產(chǎn)品的輕量化，同時也提升了產(chǎn)品的美觀度甚至藝術性，從而更有利于對產(chǎn)品進行減重降本。

3D 打印技術的缺點

與此同時，3D 打印技術也有一定缺點，亟需解決。

⑴3D 打印耗材價格高昂。

一方面適用于3D 打印的材料種類有限，另一方面3D 打印原材料供應還不成規(guī)模，綜合造成3D 打印耗材價格高昂。比如金屬3D 打印中，常用的材料是鈦粉、鋁合金粉和不銹鋼粉，其成本一般是普通金屬材料的10 倍之多。有數(shù)據(jù)表明，3D 打印產(chǎn)品中金屬粉末占總成本20%～30%，而傳統(tǒng)制造原材料占產(chǎn)品的5%～10%。

⑵3D 打印的產(chǎn)品精度不高。

3D 打印產(chǎn)品成形精度無法與傳統(tǒng)加工手段相媲美。3D 打印產(chǎn)品的精度主要取決于3D 打印機自身的精度、耗材類型以及分層厚度、噴嘴溫度和噴嘴直徑等工藝參數(shù)。比如對于分層厚度這種原理性誤差來說，要完全消除是不可能的，只能通過設定較小的分層厚度來減小誤差，故3D 打印的構件很難直接打印出高精度的零件表面。對于要求較高的零件表面或者裝配面，基本都需要進一步的表面后處理。

⑶3D 打印速度較慢。

3D 打印技術的成形速度不會很快，尤其是打印超大產(chǎn)品的時候，這是因為3D 打印必須通過逐層堆積才能成形，而且分層厚度又不能太厚。因此，3D打印不適合規(guī)?；拇笈可a(chǎn)，只適用于小批量定制化生產(chǎn)。

⑷3D 打印的產(chǎn)品性能普遍較低。

3D 打印的產(chǎn)品在材料性能方面比傳統(tǒng)加工產(chǎn)品普遍都低，主要體現(xiàn)在剛度、硬度、強度、機械加工性能和化學性能等方面。

3D 打印技術在汽車制造領域的應用

3D 打印技術萌發(fā)于20 世紀90 年代中期，近十幾年以來才在汽車行業(yè)得以蓬勃發(fā)展。2011 年，第一輛名為Urbee 的3D 打印汽車誕生，如圖2 所示；2015 年，產(chǎn)自美國舊金山DM 公司的世界上第一輛3D 打印超級跑車“刀鋒”橫空出世，如圖3 所示；2018 年，XEV 公司設計的首款量產(chǎn)3D 打印電動汽車YOYO 問世，如圖4 所示。由此后，3D 打印技術在汽車產(chǎn)業(yè)內(nèi)受到熱烈追捧，世界上越來越多的車企陸續(xù)發(fā)布自己的3D 打印概念汽車。

圖2 3D 打印汽車Urbee

圖3 3D 打印首款超級跑車“刀鋒”

圖4 3D 打印量產(chǎn)電動汽車YOYO

3D 打印技術的應用，不僅在汽車設計階段降低了設計成本、提高了研發(fā)效率，而且在制造階段也有很多成功的應用案例，比如3D 打印動力總成、底盤零部件和汽車內(nèi)外飾等。3D 打印技術可在保證結構部件的性能前提下，實現(xiàn)汽車零部件的集成設計和制造，為汽車零部件制造提供更多可能。因此，其在汽車的定制化、輕量化、電動化和智能化方面的技術優(yōu)勢是得到公認的。

3D 打印動力總成

汽車工程師借助3D 打印技術，可在產(chǎn)品的研發(fā)早期生產(chǎn)出汽車設計師設計的功能性原型或概念模型，并能加快驗證及優(yōu)化迭代流程。與傳統(tǒng)模式比較，3D 打印技術可極大地提升驗證效率，減少設計驗證時間，并使設計錯誤成本最小化。蘭博基尼作為著名歐洲跑車制造商，曾利用3D 打印打造了跑車發(fā)動機引擎管道，復雜幾何結構在極短的周期內(nèi)完成了創(chuàng)建。2020 年保時捷依托3D 打印技術制造了第一個完整的電動動力總成殼體，使其更輕、更牢固、更緊湊，如圖5 所示。使用激光熔融工藝生產(chǎn)的發(fā)動機與變速箱部件順利地通過了質量和壓力測試，證明該技術對傳統(tǒng)消費類產(chǎn)品是具備可安裝性和替代性的。

3D 打印底盤部件

德國大眾布加迪在2017 年采用3D 打印技術制造的鈦合金制動鉗(圖6)，通過了強度測試，在整個卡鉗的重量僅為2.9kg 的同時，呈現(xiàn)了每毫米承受125kg 高壓的優(yōu)異性能，具有強度大重量又輕的優(yōu)點。這種鈦合金材料卡鉗的成功制造案例在汽車零部件領域的3D 打印應用史上具有里程碑的意義。

圖6 布加迪3D 打印鈦合金制動鉗

3D 打印汽車內(nèi)飾

通用汽車利用Autodesk 技術于2018 年開發(fā)的3D打印不銹鋼座椅，支架強度增加了20%，而重量減輕了40%，并且將原有的8 個零件集成簡化為1 個零件。2020 年，保時捷為旗下跑車設計了3D 打印的座椅，這種新型的“3D 打印汽車全桶式座椅”，如圖7 所示，其基礎支撐采用夾層結構，在外觀造型、布局及重量方面和賽車座椅相似；相比以往的座椅，提供了更強的支撐剛性和包裹性，內(nèi)部結構更獨特，重量也更輕，實際的駕乘體驗更優(yōu)異。

圖7 保時捷3D 打印汽車座椅

3D 打印汽車外飾

3D 打印技術在汽車外飾的設計生產(chǎn)制造領域，同樣具有降低生產(chǎn)成本、簡化生產(chǎn)工序、提高生產(chǎn)效率等優(yōu)勢，較成熟的應用包括汽車燈具、擋泥板、汽車車標和前后保險杠等汽車外飾件。以某車型汽車大燈(圖8)為例，通過選用光敏樹脂材料3D 打印技術Polyjet進行打印實踐，從實踐驗證角度出發(fā)驗證了：一體化成形的3D 打印優(yōu)于傳統(tǒng)模型制作。燈具模型的3D 打印，主要解決了傳統(tǒng)模型制作的工序繁瑣、招工難等問題，但同時存在螺紋連接強度低、模型耐高低溫性能差等痛點。

圖8 某車型3D 打印汽車大燈

3D 打印技術在汽車維修領域的應用

由于3D 打印技術能夠很好地滿足汽車用戶的個性定制化需求，在汽車維修領域也得到了廣泛應用，比如限量版或絕版零部件的定制和修復、汽車維修過程中要使用的“特殊”工具。很多基礎部件或工具，比如汽車大燈、汽車座椅、車輪輪轂、發(fā)動機氣缸、制動卡鉗、發(fā)動機引擎管道、變速器和維修用工具等都能采用3D 打印技術進行快速制作，從而保證售后服務供應商的維修效率和經(jīng)濟效益。

3D 打印維修零件

一方面汽車種類繁多，涉及的汽車零部件更是不計其數(shù)；另一方面，限量版車型或高端車型的零部件庫存極少，甚至還有絕版零件，這些對汽車售后服務商來說是極具挑戰(zhàn)的，而3D 打印技術能夠定制零部件正好解決這個問題。例如通過3D 打印技術對著名經(jīng)典車型大眾甲殼蟲(Volkswagen Beetle)，如圖9 所示1960 款的很多絕版零件進行復刻，為滿足多樣化、稀缺化車型的零部件缺失的補件及維修提供重要保障，同時能夠顯著降低購買此類零部件的費用以及縮短維修時間，避免汽車行業(yè)的“壟斷”現(xiàn)象。

圖9 1960 款大眾甲殼蟲

3D 打印汽車維修工具

在汽車維修領域，3D 打印技術除了在打印維修零部件方面發(fā)揮重要作用，在打印汽車維修工具方面同樣具有商業(yè)價值。針對易損耗工具、價格昂貴但使用頻次低又必須的工具和需要定制的維修工具，汽車售后服務商利用3D 打印技術不需要大量囤積購買，就可避免無“合適”工具可用的情況，能夠有效降低維修成本以及縮短維修工期。比如基于FDM 的3D 打印技術打印的扳手，如圖10 所示。

圖10 基于3D 打印的扳手

結語

3D 打印技術在汽車制造業(yè)與維修行業(yè)的應用，為該行業(yè)發(fā)展帶來了巨大的積極影響，并對整個汽車行業(yè)的發(fā)展進行了強有力的推動。因此，未來應用在汽車零部件制造與維修領域中最為理想的加工工藝，3D 打印技術必將位列其中，并終將廣泛應用于汽車產(chǎn)品設計、研發(fā)等其他領域的方方面面。