3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用研究

東鑫淵　杜傳祥

摘 要：隨著國(guó)內(nèi)外汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，如何提高汽車生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、設(shè)計(jì)制造更具個(gè)性吸引力的外觀，是能否占領(lǐng)汽車市場(chǎng)關(guān)鍵。在這樣的背景下，由于3D打印技術(shù)無(wú)需模具制造、高速高效的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)等，在航空航天，機(jī)械制造等多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。因此，3D打印技術(shù)應(yīng)用在汽車設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、甚至維修等各方面，替代傳統(tǒng)汽車行業(yè)，是所有汽車企業(yè)未來(lái)發(fā)展重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù)；汽車行業(yè)；設(shè)計(jì)制造

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.06.190

3D打印技術(shù)近幾年在我國(guó)得到飛速發(fā)展，涉及航空航天、軍事裝備，甚至生活中必需品，這項(xiàng)技術(shù)是推進(jìn)我國(guó)從“中國(guó)制造”向“中國(guó)智造”轉(zhuǎn)型發(fā)展的關(guān)鍵。但是，相對(duì)于其他領(lǐng)域，3D打印在汽車行業(yè)發(fā)展速度比較緩慢，僅處于起步階段。近幾年汽車保有量飛速增長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)將我國(guó)看作世界第一市場(chǎng)，汽車企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。因此，想獲取較大汽車市場(chǎng)，就必須在汽車技術(shù)、外觀、成本控制等方面領(lǐng)先，而3D技術(shù)其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)非常適合汽車產(chǎn)業(yè)甚至包括汽車零部件及維修方面的應(yīng)用。

1 3D打印技術(shù)概述

1.1 基本概念及原理

3D打印技術(shù)又名增材制造，屬于一種快速成型技術(shù)，是一個(gè)使任何形狀的三維固體物品通過(guò)數(shù)字模型得以快速實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。3D打印的實(shí)質(zhì)是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，將某種特定的加工樣式進(jìn)行數(shù)字切片編輯，生成一個(gè)數(shù)字化的模型文件，然后按照模型圖的尺寸以特定添加劑作為粘合材料，運(yùn)用3D打印機(jī)將液態(tài)、粉末態(tài)等固體金屬粉或可塑性高的物質(zhì)分層加工、疊加成型使原料將這些薄型層面逐層熔融增加，從而“打印”出真實(shí)而立體的固態(tài)物體。打印完成后還需將3D模型進(jìn)行后處理，如剝離、固化、打磨、后期修整等。這個(gè)過(guò)程相對(duì)傳統(tǒng)制作過(guò)程周期大大縮短，且后期多余松散的粉末原材料可以循環(huán)利用。

1.2 技術(shù)特點(diǎn)及局限性

復(fù)雜物品低成本制造。運(yùn)用傳統(tǒng)制造方法，物品造型結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，成本越高。而3D打印無(wú)需模具和機(jī)械設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)小批量、個(gè)性化私人訂制，有利于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)創(chuàng)新。3D打印無(wú)需傳統(tǒng)制造加工中繁雜的工序，減少因設(shè)計(jì)頻繁更改而造成的工序翻工和累加損失，其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期短。傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備受多種因素制約，生產(chǎn)產(chǎn)品種類受限，3D打印無(wú)需機(jī)械設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)師與用戶間的個(gè)性化服務(wù)。傳統(tǒng)金屬加工，會(huì)使大多金屬原料廢棄，3D打印可將余料回收利用，消除了復(fù)雜流水線，提高資源生產(chǎn)效率，有利于綠色環(huán)保。

但是，3D打印原材料研發(fā)是制約3D打印發(fā)展的關(guān)鍵因素。3D打印機(jī)生產(chǎn)產(chǎn)品精度差，使產(chǎn)品性能與傳統(tǒng)生產(chǎn)方式相比有一定差距。面對(duì)未來(lái)低門檻的3D技術(shù)，任何人都可以制造想要的產(chǎn)品，甚至危害社會(huì)的危險(xiǎn)品，會(huì)造成社會(huì)治安問(wèn)題，且會(huì)造成大量盜版和復(fù)制藝術(shù)品，危害知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2 3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用

2.1 在生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用

2010年世界首款3D打印汽車在美國(guó)問(wèn)世，它是一款以電池和汽油作為燃料的三輪混合動(dòng)力汽車。整車的零件打印耗時(shí)2500h，工人僅需把所有零件組裝起來(lái)，生產(chǎn)周期遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)，生產(chǎn)中無(wú)需模具、機(jī)械設(shè)備和流水線。在更新?lián)Q代車型時(shí)，設(shè)計(jì)師僅需調(diào)整相關(guān)3D模型，改變相應(yīng)參數(shù)，就可以得到新款車型，這是傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)不可能做到的。3D打印應(yīng)用在汽車外觀造型上可以擺脫私人訂制的高端奢侈，也可讓設(shè)計(jì)師的想象力不再受傳統(tǒng)機(jī)械制造工藝制約，任何天馬行空的概念都能實(shí)現(xiàn)[3]。

2.2 在零部件生產(chǎn)應(yīng)用

汽車零部件樣件開(kāi)發(fā)量很大，傳統(tǒng)樣件開(kāi)發(fā)周期無(wú)法滿足現(xiàn)代汽車快速發(fā)展需求。3D打印不但可在開(kāi)發(fā)周期上縮短40%，也可使成本降低20%。特別是隨著技術(shù)發(fā)展，零部件形狀結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，導(dǎo)致模具開(kāi)發(fā)生產(chǎn)難度加大，3D打印技術(shù)可以很好的克服這個(gè)問(wèn)題。并且在材料方面不局限于樹脂或工程塑料，金屬材質(zhì)也可以很快速成形。目前，國(guó)內(nèi)已有很多企業(yè)通過(guò)3D打印技術(shù)生產(chǎn)氣缸、變速器齒輪等常用零部件。

2.3 在維修領(lǐng)域應(yīng)用

3D打印對(duì)汽車維修技術(shù)、備件庫(kù)存帶來(lái)很大影響。對(duì)于緊缺無(wú)庫(kù)存零部件更換維修時(shí)，開(kāi)發(fā)相關(guān)模具浪費(fèi)大，成本高，時(shí)間長(zhǎng)。技術(shù)人員可通過(guò)3D打印直接修復(fù)傷口或打印出緊缺零部件，延長(zhǎng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的壽命。當(dāng)大型不易移動(dòng)的野外作業(yè)機(jī)械發(fā)生故障，可以攜帶3D打印機(jī)到現(xiàn)場(chǎng)維修。此外，汽車維修中經(jīng)常使用特殊工具或品牌專用工具，某些工具需求量少，購(gòu)買困難。3D打印可以直接解決這個(gè)問(wèn)題。

3 3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)發(fā)展探索

3D打印將為汽車行業(yè)注入新鮮血液。獨(dú)立設(shè)計(jì)品牌和設(shè)計(jì)全民化將引領(lǐng)汽車行業(yè)發(fā)展。從工業(yè)設(shè)計(jì)角度將3D打印與汽車外觀造型及內(nèi)飾設(shè)計(jì)相結(jié)合，采用新思路新方法，使美學(xué)的多元化及設(shè)計(jì)師天馬行空的理念發(fā)揮到極致，突破傳統(tǒng)汽車仿形法設(shè)計(jì)的單一模式。在汽車的制造業(yè)中，零部件設(shè)計(jì)生產(chǎn)，材料應(yīng)用是3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)中發(fā)展的關(guān)鍵。從市場(chǎng)和發(fā)展前景來(lái)看，這項(xiàng)技術(shù)在短時(shí)間內(nèi)不可能取代傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)，主要由于3D技術(shù)的局限性所致。根據(jù)全球3D打印在汽車行業(yè)應(yīng)用報(bào)告顯示，到2015年每年都以26.2%的速率增長(zhǎng)，各大汽車企業(yè)都致力于將該技術(shù)與傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)相結(jié)合，更適合未來(lái)工業(yè)生產(chǎn)需求。隨著智能制造的進(jìn)一步發(fā)展，3D打印也將被推向更高層面，替代傳統(tǒng)汽車行業(yè)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)3D打印技術(shù)在汽車行業(yè)應(yīng)用進(jìn)行研究，并對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行展望。對(duì)于中國(guó)自主品牌車企而言，提升技術(shù)前瞻能力，3D打印應(yīng)用就要得到大力發(fā)展，這也是汽車行業(yè)發(fā)展的大方向，是自主品牌發(fā)展創(chuàng)新的一個(gè)全新載體，甚至關(guān)系到汽車行業(yè)的震裂重構(gòu)。從目前看來(lái)，3D打印應(yīng)用在汽車行業(yè)仍處于萌芽階段，還不具備規(guī)模生產(chǎn)條件，但這項(xiàng)技術(shù)一旦在某個(gè)節(jié)點(diǎn)上得到突破，將大大提高制造業(yè)生產(chǎn)效率，直接影響汽車企業(yè)的市場(chǎng)生命力。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙婧.3D打印技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究與前景展望[D].山西：太原理工大學(xué)，2011.

[2]王菊霞.3D打印技術(shù)在汽車制造與維修領(lǐng)域應(yīng)用研究[D].吉林大學(xué)，2014.

[3]程美.3D打印技術(shù)及其在汽車制造業(yè)中的創(chuàng)新應(yīng)用[J].模具制造，2014（08）：79-81.