沈衛(wèi)東 林芳

（上海大眾汽車有限公司）

近年來，中國乘用車市場銷量逐年遞增，各大汽車廠商為搶占市場份額，也紛紛加快了新車型的研發(fā)和上市，而如何能夠借助可靠的技術(shù)手段，加快新車型的研發(fā)進(jìn)程也成為各汽車廠商的共同課題。3D打印的發(fā)展給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了巨大的沖擊，汽車行業(yè)作為一個(gè)大眾產(chǎn)業(yè)，已然經(jīng)歷過3D打印技術(shù)的洗禮，已經(jīng)悄悄發(fā)生了變革。3D打印可以方便快捷地制作高精度、造型復(fù)雜的汽車零件，降低研發(fā)成本，提高效率，為消費(fèi)者帶來更高品質(zhì)的汽車產(chǎn)品，同時(shí)價(jià)格也將更實(shí)惠。

1 3D打印技術(shù)在新車型研發(fā)中的應(yīng)用

1.1 3D打印技術(shù)

3D打印技術(shù)，即快速成型技術(shù)的一種，它是以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料可粘合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。與普通打印機(jī)相比，3D打印機(jī)的“墨水”為原材料，通過若干層材料的堆疊達(dá)到立體效果。

1.2 3D打印技術(shù)優(yōu)勢

有人將3D打印稱為“第三次工業(yè)革命”。確實(shí)，3D打印技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域引領(lǐng)變革。在傳統(tǒng)汽車制造領(lǐng)域，汽車零部件的開發(fā)往往需要長時(shí)間的研發(fā)、測試。從研發(fā)到測試階段還需要制作零件模具，不僅時(shí)間長，而且成本高。當(dāng)存在問題時(shí)，修正零件也需要同樣漫長的周期。而3D打印技術(shù)以其高度柔性、快速性、材料廣泛及高適應(yīng)性等性能特點(diǎn)能夠快速制作造型復(fù)雜的零部件，當(dāng)出現(xiàn)問題時(shí)，通過修改3D數(shù)據(jù)文件重新打印即可再次測試?？梢哉f，3D打印技術(shù)讓未來零部件開發(fā)成本更低，效率更高。

1.3 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用包括：1）整車造型；2）設(shè)計(jì)驗(yàn)證、性能測試手工樣件；3）制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件；4）多材料復(fù)合零件；5）輕量化結(jié)構(gòu)零件；6）輔助檢具和夾具。

2 各類快速成型技術(shù)和對比

目前常用的快速成型技術(shù)主要有：SLA，SLS，F(xiàn)DM，3DP，PUG等，各種技術(shù)由于其不同的工作原理，以及采用的材料不同，使得成型零件在表面質(zhì)量、零件強(qiáng)度、制造周期及零件成本等方面有著一定差異。

2.1 SLA（Stereo Lithography Apparatus，光敏樹脂選擇性固化）

2.1.1 工作原理

設(shè)備由液槽、可升降工作臺、激光器、掃描系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)組成。基于液態(tài)光敏樹脂的光聚合原理，液態(tài)材料在一定波長和強(qiáng)度的紫外光照射下能迅速發(fā)生光聚合反應(yīng)，從液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)。

首先在設(shè)備儲液槽中盛滿液態(tài)光敏樹脂，激光器發(fā)出的紫外光束在控制系統(tǒng)的操控下按零件的各分層截面信息在光敏樹脂表面進(jìn)行逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)域的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)而固化，形成零件的一個(gè)薄層面。在一層固化完成后，工作臺下移一個(gè)層厚的距離，這時(shí)液態(tài)樹脂會在剛剛固化好的樣件表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂，隨后刮板會將黏度較大的樹脂液面刮平，此時(shí)設(shè)備會進(jìn)行下一層的掃描加工，新固化的一層可以牢固地粘結(jié)在前一層上，如此重復(fù)直至整個(gè)零件制造完畢，獲得一個(gè)實(shí)體樣件。SLA工作原理，如圖1所示。

2.1.2 SLA的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）成型過程自動化程度高；2）尺寸精度高。SLA原型的尺寸精度可以達(dá)到±0.1 mm；3）表面質(zhì)量優(yōu)良；4）系統(tǒng)分辨率較高，可以制作結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的模型或零件。

缺點(diǎn)：1）零件較易彎曲和變形，需要支撐；2）設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)及維護(hù)成本較高；3）可使用的材料種類較少；4）液態(tài)樹脂有味和毒性，需要避光保護(hù)；5）液態(tài)樹脂固化后的零件較脆、易斷裂。

2.2 SLS/SLM（Selective Laser Sintering/Melting，粉末材料選擇性激光燒結(jié)/熔化）

2.2.1 工作原理

利用粉末材料（金屬粉末或非金屬粉末）在激光照射下燒結(jié)的原理，在計(jì)算機(jī)控制下，層層堆積成型。

粉末燒結(jié)的成型過程，如圖2所示。首先采用鋪粉輥將一層粉末材料平鋪在底層或已成型零件的上表面，并加熱至略低于粉末燒結(jié)點(diǎn)的溫度，控制系統(tǒng)控制激光束按照零件的分層信息在粉層上掃描，使粉末升溫熔化進(jìn)行燒結(jié)，當(dāng)一層截面燒結(jié)完后，工作臺下降一個(gè)層厚，鋪料輥再鋪上一層均勻粉末，進(jìn)行新一層截面的燒結(jié)，直至完成整個(gè)樣件[1]147。

2.2.2 SLS的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）可直接制作金屬制件（獨(dú)有）；2）材料選擇廣泛；3）可制造復(fù)雜構(gòu)件或模具；4）不需要增加基座支撐；5）材料利用率高。

缺點(diǎn)：1）樣件表面粗糙，呈現(xiàn)顆粒狀；2）加工過程會產(chǎn)生有害氣體。

2.3 FDM（Fused Deposition Modeling，熔融沉積技術(shù)）

2.3.1 工作原理

熱塑性絲狀材料加熱熔化，沿零件截面輪廓和填充軌跡擠出，材料迅速凝固，并與周圍的材料凝結(jié)成型。熔融沉積成型過程，如圖3所示。絲狀的熱熔性材料通過主動輥及導(dǎo)向套進(jìn)入噴頭，加熱噴頭對其加熱熔化，通過一個(gè)微細(xì)噴嘴擠噴出來。擠出的材料隨即與前一層固化面融結(jié)在一起，噴頭可沿X軸方向移動，而工作臺則沿Y軸方向移動。按照數(shù)據(jù)的分層信息進(jìn)行成型，在一個(gè)層面沉積完成后，工作臺按預(yù)定的增量下降一個(gè)層的厚度，再繼續(xù)新一層熔融沉積，直到完成整個(gè)樣件。需要說明的是：為保證成型的穩(wěn)定性，F(xiàn)DM設(shè)備的成型室是恒溫（加熱噴頭的溫度在220℃左右，成型室溫度在70℃左右）[1]125。

2.3.2 FDM的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)造原理和操作簡單，維護(hù)成本低，系統(tǒng)運(yùn)行安全?？梢允褂脽o毒的原材料，設(shè)備系統(tǒng)可在辦公環(huán)境中安裝使用；2）工藝干凈、簡單，易于操作且不產(chǎn)生垃圾；3）獨(dú)有的水溶性支撐技術(shù)，使得去除支撐結(jié)構(gòu)簡單易行，可快速構(gòu)建瓶狀或中空零件以及一次成型的裝配結(jié)構(gòu)件；4）原材料以材料卷的形式提供，易于搬運(yùn)和快速更換；5）可選用多種材料，如各種色彩的工程塑料，如：ABS，PC，PPSF以及醫(yī)用ABS等。

缺點(diǎn)：1）成型精度相對SLA工藝較低，精度0.178 mm；2）成型表面光潔度不如SLA工藝；3）成型速度相對較慢。

2.4 3DP（Three Dimension Printing，噴射打印技術(shù)）

2.4.1 工作原理

3D打印材料以超薄層被噴射到構(gòu)建托盤上，用紫外線固化，并且可以同時(shí)噴射2種不同機(jī)械特性的材料。支持多種材料同時(shí)打印的3D打印系統(tǒng)，擁有獨(dú)特的技術(shù)，可以在單個(gè)建造工作中打印具有不同機(jī)械和物理特性材料組成的零部件，動態(tài)制作復(fù)合材料，并簡化了模擬，在新產(chǎn)品研發(fā)的初期便可以得到更接近于最終產(chǎn)品的模型[1]161。3D打印工作原理，如圖4所示。

2.4.2 3DP的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）同時(shí)制作2種及以上材料組合件；2）皮革紋理清晰，尤其適合內(nèi)飾件試制（方向盤、扶手、排擋等）；3）密封條、密封圈試制；4）一次性制作復(fù)雜分總成零件；5）更細(xì)致表現(xiàn)細(xì)節(jié)；6）內(nèi)外飾小模型制作。

缺點(diǎn)：材料強(qiáng)度受限制。

2.5 PUG（Poly-Urethan-Guss，真空注型技術(shù)）

2.5.1 工作原理

真空注型技術(shù)基于硅膠模而翻制樣件的技術(shù)，硅膠模制造工藝是一種比較普及的快速模具制造方法。由于硅膠模具有良好的柔性和彈性，能夠制作結(jié)構(gòu)復(fù)雜、花紋精細(xì)、無拔模斜度，甚至具有倒拔模斜度以及具有深凹槽類的零件，制作周期短，制件質(zhì)量高。真空注型工作步驟，如圖5所示。

2.5.2 PUG的優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：1）小批量生產(chǎn)；2）工藝相對簡單，易操作；3）只需簡易硅膠模，制作時(shí)間短；4）可選擇多種材料。

缺點(diǎn)：1）類批量材料在性能上受限制；2）易發(fā)生起泡、缺料等表面缺陷。

綜上所述，各類快速成型技術(shù)對比，如表1所示。

表1 各種快速成型技術(shù)性能對比

3 3D打印技術(shù)在汽車研發(fā)中的應(yīng)用實(shí)例

3D打印技術(shù)對于制造測試部件、或是一些在開發(fā)過程中需要頻繁變化的、針對特定應(yīng)用產(chǎn)品而言，無疑是最理想的選擇，因此，3D打印技術(shù)的應(yīng)用貫穿汽車研發(fā)的全過程。

3.1 3D打印技術(shù)在造型油泥模型試制中的應(yīng)用

造型油泥模型的制造中,除車身主體部分由油泥銑削完成外，車身附件則大量應(yīng)用了3D打印技術(shù)，如格柵、Logo、門把手及光亮飾條等零件。由于在造型階段，造型變化快，需多方案對比展示。通過3D打印技術(shù)的應(yīng)用，則可以在縮短零件制造周期的同時(shí)，充分展示造型細(xì)節(jié)。汽車造型油泥模型，如圖6所示。

3.2 3D打印技術(shù)應(yīng)用于概念及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)驗(yàn)證

產(chǎn)品開發(fā)的零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過3D打印件靜態(tài)分析和實(shí)車安裝，發(fā)現(xiàn)零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題，與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師技術(shù)溝通，優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高零件強(qiáng)度和可制造性，簡化零件結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證技術(shù)可行性，提高產(chǎn)品成熟度。圖7為零件結(jié)構(gòu)優(yōu)化驗(yàn)證示意圖。

3.3 3D打印技術(shù)應(yīng)用于多種材料的內(nèi)外飾件制作

通過多種原材料的選擇和應(yīng)用，在整車研發(fā)過程中運(yùn)用3D打印技術(shù)進(jìn)行各種樣件的制造，如方向盤、門內(nèi)飾及密封條等，相較于模具件則大大縮短了試制周期，降低了零件制造費(fèi)用。3D打印在內(nèi)外飾樣件中的應(yīng)用，如圖8所示。

3.4 3D打印技術(shù)應(yīng)用于多材料集成的內(nèi)外飾件制作

3D打印技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)勢是：可以進(jìn)行多材料一體制造，如輪轂和輪胎一體成型，輪轂部分采用ABS硬質(zhì)材料，輪胎部分采用橡膠材料一體打印成型，通過這種工藝充分解決了內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)復(fù)雜的分總成零件的試制。多種材料3D打印一體成型，如圖9所示。

3.5 3D打印技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜分總成內(nèi)外飾件一次性快速制作

采用3D打印技術(shù)可將結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模塊零件一體打印成型，如儀表板出風(fēng)口模塊，通過3D打印技術(shù)在確保零件精度及功能性的同時(shí)，大大縮短了單件制造時(shí)間和總成拼裝工時(shí)。

以出風(fēng)口樣件制作為例，若采用傳統(tǒng)ABS銑削工藝，則需要將各單件單獨(dú)銑削再進(jìn)行總成拼裝。若采用PUG工藝，則需要先采用SLA制作原型件后，通過PUG翻模制作單件后再進(jìn)行總成拼裝。

3D打印一體成型技術(shù)相較于這兩種工藝則更為省時(shí)增效，如表2所示。

表2 出風(fēng)口樣件各工藝制造時(shí)間及費(fèi)用對比

3.6 3D打印技術(shù)應(yīng)用于中小模型一次性快速制作

在整車研發(fā)中，為進(jìn)行局部區(qū)域造型驗(yàn)證，通常制造局部模型進(jìn)行檢驗(yàn)。相較于以往的銑削工藝，3D打印技術(shù)在確保模型精度的前提下，無疑大大縮短了制造周期。以儀表板局部模型為例，若采用ABS或代木銑削，則需先進(jìn)行單件銑削后，經(jīng)手工匹配方可完成總成模型，如圖10所示。而采用3D打印技術(shù)則可以將此類中小型模型一次性快速成型，更為省時(shí)高效，如表3所示。

表3 儀表板局部模型各工藝制造時(shí)間及費(fèi)用對比

3.7 3D打印技術(shù)在輔助檢具和夾具中的應(yīng)用

3D打印技術(shù)為研發(fā)過程中的輔助夾具及檢具提供了快速的診斷手段，相較于激光切割卡板則精度更高，相較于銑削工藝則制造周期更短。圖11示出輔助檢具樣件。

4 結(jié)論

目前3D打印技術(shù)更多應(yīng)用于整車研發(fā)階段，快速制造出樣件或模型，在整車上市前，對方案及工藝進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，并作出決策，從而大大縮短設(shè)計(jì)周期、加快產(chǎn)品上市。對于需要大批量生產(chǎn)的零件，3D打印因?yàn)椴牧?、成本及法?guī)等諸多因素的影響未必適用。但是3D打印可以制造功能零件，尤其是一些造型非常復(fù)雜、精度要求高、需要反復(fù)調(diào)試的零件。綜合來看，3D打印技術(shù)可以大幅度降低汽車開發(fā)過程和制造過程中的成本，提升工作效率，降低新車型新零件的開發(fā)時(shí)間，使品質(zhì)更好、技術(shù)更完善、價(jià)格更便宜的汽車因?yàn)?D打印技術(shù)的普及而出現(xiàn)，消費(fèi)者也會從中受益。